2-79  第9路片状放大器系列的研制

唐贤忠  朱  俭  戴亚平  马伟新  陆锡南  王聪瑜 夏志强  胡静芬  柴志豪  王仁贵  朱宝强  林尊琪

第9路已基本建成并投入试运行，现能输出脉宽2 ns，能量1.5 kJ的倍频激光，开始用作X光背光驱动源。

第9路激光系统要求输出脉宽1 ns、能量3 kJ或脉宽3 ns、能量4.5 kJ的基频激光，其中超过95%的能量是由片状放大器系列提供的。这个系列共有，f100的2台，f200的3台，f350的4台。其中f100片放增益G=3.5，增益系数b =0.07 cm^-1；f200片放的G=2.7，b=0.069 cm^-1；f350片放的G=1.685，b=0.048 cm^-1。片状放大器设计要权衡考虑下述各因素：增益、光束质量、安全稳定运行和造价。

(1)增益。激光放大器的小信号增益系数b=Δn·s，式中，Δn为反转粒子数，s为受激辐射截面。Ⅲ型钕玻璃的s比Ⅱ型的高50%~60%。钕玻璃的量子效率和亚稳态寿命对b都有影响。f200和f350放大器选用Ⅲ型钕玻璃，f100放大器受包边工艺局限只能用Ⅱ型脱水型玻璃。其它设计均为了增加反转粒子数Δn：氙灯的电光效率超过70%；化学镀膜隔板玻璃的透过率T=98%，比过去石英玻璃T=90%的还高，且价格便宜得多；角形反射器和上顶下底反射板，使氙灯光利用率得到提高。馈电系统也进行了改进：氙灯放电波形的调整，粗径电缆的使用，预主脉冲放电回路，都对提高b起着有益作用。

f350 mm放大器的增益达1.685，与日本同类放大器的增益1.69相当。

大口径片状放大器另一重要问题是抑制和减小寄生振荡的损耗。放大器的自振条件为e^Db·R≥1，f350mm片状放大器的自振系数Db»3.5，D=70 cm为钕玻璃片的长轴直径，R为边界的反射率。掺氧化铜玻璃包边是抑制和减小寄生振荡的有效方法。包边设计和包边工艺要使R尽量减小。当Db≥3.5时，钕玻璃片中放大的自发辐射ASE是严重的，不可避免的，造成反转粒子数的逃逸和b值的下降。

(2)激光束质量对激光系统和物理实验是至关重要的。玻璃的内在光学质量和表面加工质量都会影响放大器的光学性能。在元件质量达到设计要求的前提下，要努力做到钕玻璃片的无应力装夹。对重量接近50 kg的钕玻璃片，要实现这一要求是有一定困难的。经多次试验和改进，用多个侧面弹性头子的办法解决了此问题。用干涉仪检测，未发现任何的安装应力和应变，使系统获得高质量的激光束成为可能。

(3)氙灯的爆炸和隔板玻璃的破碎，是以往遇到的难题。通过对氙灯参数的选择，氙灯装夹的特殊设计(不产生安装应力)，洛仑兹力的抵消和减弱，灯管应力的监测，灯管材质的改进，氙灯检验的完善，在第9路研制和总体的调试中未曾出现炸灯现象。

用很多办法来提高钕玻璃片腔内的洁净度，一般可达到10级以内，甚至零灰尘，远远高于100级的要求，至今未发生钕玻璃片因灰尘而造成的破坏。此外，也未发现钕玻璃片发霉和潮解。