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4-19 高功率激光放大器中的能量传输 贺少勃 陈远斌 於海武 杨 东 郭良福 力一峥 刘 勇 刘建国 王 琳 片状放大器系统是高功率激光装置最主要的能量和功率来源，它主要解决驱动器的纵向能量传输和转换问题。放大器中能量转换主要通过储能组件、脉冲氙灯、泵浦腔和增益介质等单元部件实现。为了达到最佳的性能和最高的效率，必须使放大器每一个单元部件设计尽量最优，并保持较高的可靠性。影响储能的主要因素见图1。放大器的设计和优化，关联到众多元器件的协同配合，在各单元的设计中必须考虑到对系统的影响和指标分配。放大器的设计需要是在总体设计的框架下，以提高系统的储能效率、增益能力、降低热效应为目标，结合元器件的可靠性水平，进行系统设计。同样，合理均衡的能量转换和传输过程，也是决定放大器稳定可靠、高效运行的前提和保障。
国际上以美国国家点火装置(NIF)放大器的设计为代表，其从能库到激光上能级的储能效率达到了2.7%。而“神光”-Ⅲ原型装置的储能效率为2.4%。虽然在储能效率上接近，但由于二者的放大器采用不同的尺寸，泵浦能密度不同，所以还是存在较大的差别，如：NIF装置在7.6 J/cm3的泵浦能密度下达到了5% cm-1的平均增益水平，而原型装置放大器，在10.7 J/cm3的泵浦能密度下才能达到5% cm-1的平均增益系数，或者说原型装置要达到和NIF相同的增益能力，必须增加40%的储能，加大单元器件的负载水平，系统可靠性受到影响。这种差别不是由某一个特定的因素确定的，而是由众多因素综合产生的效果。 用4´2´3放大器、结合原型装置的实验结果和AMP2000、SG99程序对二者的能量转换和传输环节进行比较，得出：(1)“神光”-Ⅲ原型装置片状放大器系统较以往的同类装置不论从能量传输效率、还是从工程可靠性上都有明显提高，已经基本满足原型装置的设计要求；(2)在能源系统、泵浦源、泵浦腔和增益介质方面的系统设计和关键单元器件的技术水平方面原型装置和NIF装置存在较大差距；(3)正是每一个环节和关键单元器件水平上存在的差距，导致了放大器系统整体的能量传输和转换效率较低。所以为了能得到相同的输出能力，就必须增加更多的泵浦，而泵浦又会使元器件的负载增加。部分元器件过高的负载，严重降低了系统的可靠性。 但是，通过对放大器的能流环节分析还不能说明放大器所面对的所有技术问题，还需要结合整体设计的情况，对放大器的物理、技术和工程问题进行持续改进和提高，才能设计出满足神光-Ⅲ主机要求的稳定、高效的放大器系统。 |
