4-20  预电离效应对高功率脉冲氙灯光效的影响

贺少勃  於海武  陈远斌  杨  东  郭良福  刘  勇  刘建国  王  琳

随着ICF激光驱动器技术的发展，要求激光输出的能量和功率越来越高，激光片状放大器提供了装置总输出99%以上的能量，其典型的通光口径为f300 mm×300 mm(中国TIL装置)和f400 mm×400 mm(美国NIF装置)。为了提高储能效率，放大器多设计为多段式组合系统。相应地就需要大尺寸的脉冲氙灯，如弧长超过1 500 mm，达到f37 mm。将预电离作为提高氙灯光效的有效途径已广泛应用于大型激光装置，文中研究了氙灯预电离参数对大尺寸脉冲氙灯光效的影响，包括预电离点灯以及泵浦脉宽的实验工作。

大尺寸氙灯的脉冲预电离工作方式与小尺寸氙灯直流预燃工作方式类似，都是为了在主放电之前提供适量的自由电子、离子、及亚稳原子(即使氙气处于部分离化状态)，从而使：(1)主放电能量用于增加气体内能形成放电通道而消耗的能量减少，以达到提高氙灯辐射效率的目的；(2)主放电更容易形成均匀膨胀的氙等离子体，以达到减小对氙灯冲击的目的。

利用4×2片状放大器系统，实验测试了预电离对氙灯光效的影响。有无预电离条件下各测量4发，测试设备为光电二极管。图1给出了4发次中最保守的一组辐射光功率波形比较(即相差最小)。图1(a)给出了完整的光功率波形，可以看出含预电离时，光效要高出8.96%。但应该注意到，预电离自身含有一定的能量(如图1所示，主放电之前有一个小的包络)，由于激光增益介质上能级寿命较短的原因，这一小部分能量对激光上能级储能没有丝毫贡献，因此仅比较主发光波形发现，含预电离时光效高5.26%。从图1(b)可以看出，扣除预电离自身的贡献后，预电离的实际贡献为5.26%。

从发光波形上可看出，预电离的作用主要表现于波形前沿上升得更快，从而使有效光能量前移，有利于增益介质的上能级储能。另外，根据12发次主放电工作方式与预电离加主放电工作方式的电流与光功率峰值的对比发现，加预电离时，峰值电流略下降2.84%，而峰值光功率略上升1.43%。因此，直观比较可以发现，预电离具有减缓氙灯冲击并提高光效的目的。

研究结果表明：预电离可以有效地增加氙灯辐射输出，对于相同的储能，有预电离时氙灯光效约增加7.8%；预电离可以降低氙灯的峰值放电电流(亮色温)，改善氙灯的光谱辐射分布。