（光学专业论文）高功率ld泵浦nd：glass薄片激光放大器的研究.pdf

摘要 为了能够降低工程建造成本、减小空间体积、同时满足技术的先进性，本文拟采 用多程放大、主动式光束控制、高功率激光二极管泵浦、薄片激光器等先进技术，研 制一套l d 泵浦的片状多程放大模块，以实现毫焦耳到焦耳量级的能量放大。从激光器 的速率方程出发，对多程放大过程进行了理论分析。根据相关理论和经验，设计2 7 k wl d 泵浦源和耦合器，应用软件模拟最佳的泵浦排列方式和参数，获得了均匀平顶的方形 光泵浦。在大量增益实验的基础上，讨论了a s e 效应，分析影响a s e 的因素，重新设 计薄片工作物质的参数，达到抑制a s e 和提高增益的目的。 关键词：多程放大器薄片钕玻璃 a b s t r a c l i nt h i st h e s i s ，t or e d u c et h ep r o j e c tc o s t , r e d u c et h es p e c i a lv o l u m e ，a n ds a t i s f y t h e t e c h n i c a la d v a i l c e m e n t i nt h i sp a p e r ，a d v a n c e dt e c h n o l o g i e ss u c ha sm u l t i p l e 。p a s s ，a c t l v e b e 栅c o n t r 0 1 ，h i g hp o w e rl e dp u m p ，t h i nd i s kl a s e ra n d s oo i lw e r eu t i l i z e d ，l dp u m pt h i n d i s km u l t i p i e - p a s sa m p l i f i c a t i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e d ，e n e r g ya m p l i f y f r o mn ot oj m a g f l i t u d ew a sa c h i e v e d m u l t i p l e p a s s a m p l i f i c a t i o n w a sa n a l y z e df r o ms p e e d m a t h e m a t i c a le q u a t i o n a c c o r d i n gt oi n t e r r e l a t e dt h e o r ya n de x p e r i e n c e ，2 7 k wp u m p i n g s o u r c ea n dc o u p l e rw a sd e s i g n e d t h eo p t i m a la r r a ys t y l eo fp u m pa n dp a r a m e t e rw a r e s i m u l a t e db ys o f t w a r e ，a n dw e l l - d i s t r i b u t e ds q u a r ep u m p w a sa c h i e v e d 。b a s e do nl o t so fg a i n e x p e r 油e n t s a s ee f l e e tw a sd i s c u s s e da n df a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ea s e w a sa n a l y z e d p a r 踟e t e ro fc o u p l e rw a sc h o s e ，t h ep a r a m e t e r so f t h et h i nd i s km e d i u mw e r er e d e s i g n e dt o r e s t r a i na s e a n dt oi n c r e a s eg a i n k e yw o r d s ：m u l t i p l e - p a s sa m p l i f i c a t i o n t h i nd i s kn d ：g l a s s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，高功率l d 泵浦n d ：g l a s s 薄片激 光放大器的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作：卫年一王月乎日 指导导师签名： 委主垂圭望年三月丑日 指导导师签名： 爿垒塾主望年三月丑日 第一章绪论 1 1 引言 自从1 9 6 3 年n gb a s o v 等人发表激光热核聚变概念以来，随着激光技术的飞跃发 展，固体激光的研究不断在高功率和高能量方面取得突破性进展，走过了辉煌的发展 历程，并且开拓出了一系列新的应用领域，如惯性约束聚变( i c f ) ，激光核爆模拟，可 控热核聚变等。 在惯性约束聚变( i c f ) 中，固体激光器向着高光束质量、高能量或高峰值功率方 向发展。以往大多数采用闪光灯泵浦的固体激光器，存在电光转换效率低、热负载较 高等缺点。激光二极管泵浦的固体激光器则有许多优点，如工作稳定性好，光束质量 高，效率比闪光灯泵浦的固体激光器提高2 2 5 倍，重复频率更高，结构更紧凑等u j 。 高平均功率高光束质量激光器有着广泛的用途，而二极管激光泵浦的固体激光器 由于具有效率高、体积小、维护方便等诸多优点( 相对于气体、化学、灯泵固体等激光 器而言) ，已成为新一代高平均功率激光器发展的重要方向。固体激光增益介质从结构 上可分为三种类型，棒状、片状和板条状，经过几十年的研究，各种增益介质结构的 激光器获得了长足的发展。由于圆片状结构的增益介质具有高的t e m o o 模填充率、低 的热效应( 温度梯度与振荡光束的传播方向平行) ，使该种增益介质结构的激光器成为了 未来高平均功率高光束质量激光器的重要发展方向。 高能高亮度激光系统尤其是超短脉冲激光系统的振荡器一般只能提供弱种子光， 因而不适合直接进行功率放大，需要有高效率预放大器进行放大。因此预放大器是高 功率激光装置中决定能否有效地将待放大光脉冲的能量提高到一定水平的关键器件。 镭宝光电在很多产品上应用了放大技术，在一些科研项目上应用了最新的弱信号光预 放大器，其中包括多程放大和薄片技术，这两项技术可将储存于激光介质中的大部分 能量提取出来，同时能够减小热透镜、机械应力和热退偏等效应，非常适合放大弱信 号光，且能够获取高的增益，是现今最佳的激光前置预放大器。 1 2 研究现状及研究意义 自1 9 8 8 年1 0 月，美国能源部长宣布批准用于聚变点火的“国家点火设施”( n i f ) 计划，把用于n i f 初步工程设计和国家环境政策法工作的经费列入国会1 9 9 6 年财政设 计项目预算。按n i f 计划，美国将投资1 l 亿美元，在2 0 0 2 年左右建成一个共输出1 9 2 束激光，输出总能量达1 8 m j 、输出功率高达6 0 0 t w 、波长为0 3 5um 的巨型钕玻璃 固体激光装置，用于i c f 的点火与增益实验。这项被称为有史以来最伟大的激光工程， 是一份核武器威慑的保险单，是通往了解恒星内部的门户，是打开一种耗之不尽的能 源宝库的钥匙。美国n i f 计划的实施及其演示装置原型样机b e a m l e t 的建成和取得的 一系列成功经验，更明确地为i c f 研究指明了方向。截止2 0 0 1 年1 月，n i f 的工程建 设已完成超过9 5 的总工作量，整个装置将按计划在2 0 0 2 年建成并投入使用【2 j 。 我国科学家在多程放大技术领域经过多年努力在理论和实验方面都取得了一系列 的研究成果。2 0 0 0 年，“神光i i ”装置的顺利建成，并应用于打靶实验，标志着我国在 强激光装置的建造方面又向国际水平迈进了步。为进步推动我国的强激光技术向 更高的目标发展，目前正在筹建原型装置，此装置拟采用多程放大技术以提高系统性 能、有效降低系统单位输出能量的造价。随着原型装置计划的顺利实施，装置的建造 也是可以预期的。但毕竟工程投资大，技术含量高，它的建造将是对我国科技人员技 术水平的一次神圣检阅。 固体激光器的发展有着悠久的历史。早期用于惯性约束聚变的钕玻璃激光器均采 用单通主振荡器功率放大器结构( 又称为m o p a 结构) ，其主放大级采用单程放大器， 在结构上比较简单，技术上也比较成熟。这种结构的激光器很多，如美国的a r g u s ，s h i v a ， o m e g a 和n o v a 装置) 日本大阪大学的“激光1 2 ”( g e k k o xi i ) ，法国里梅尔一布朗 顿研究中一t l , 的“太阳神 ( p h e b u s ) ，英国卢瑟福阿普尔顿实验室的“火神”( v a l c a n ) ，以 及我国的神光i 、星光i i 等都采用的是m o p a 放大器结构。m o p a 结构的优点是能进 行分级安装、调试，风险不大、结构简单、易于调整、便于维修，能较好地控制脉冲 波形、有利于各路激光束之间的功率平衡。虽然m o p a 结构的激光器在i c f 的研究中 获得了成功，但随着对激光驱动器要求的不断提高，该方案存在的问题也就日益突出， 如其总体效率低、造价昂贵等。因为主放大器采用单通方式，它的提取效率大约只有 1 0 左右，如要提高提取效率，唯一的办法就是增加注入能量，提高放大器工作能量 密度；但是增加能量密度受到激光介质负载能力的限制。而且，提取能量密度太高会使 放大器的增益深度饱和，从而产生严重的脉冲时间波形畸变，这就要求不断增加放大 器的口径来克服增益饱和效应，这样就会使激光装置的造价大幅度提高。 美国利弗莫尔实验室( l l n l ) 采用端面泵浦方式，于2 0 0 0 年研制出一台激光二 极管泵浦y b ：s f a p ( 掺y b 3 + 的s r 5 ( p 0 4 ) f 晶体) ，波长1 0 5 3n m ，工作频率1 0 h z ，脉 宽l 1 0n s ，能量1 0 0j 的固体激光器。日本o s a k a 大学采用侧面泵浦方式也于同一年 研制出一台激光二极管泵浦n d ：g l a s s ( z i g z a gs l a b ) ，波长1 0 5 3n l t l ，工作频率1 0h z ， 脉宽2 0 n s ，能量8 5 j 的固体激光器。我国在高功率二极管泵浦固体激光器方面的研究 比较少，目前只有个别实验室进行二极管泵浦n d ：y a g 再生放大器的研究。在原型装 置预放级重复频率多程放大器中，采用l d 代替闪光灯作为泵浦源，其突出优点为， 能量输出的不确定性小，光束质量高，可克服采用闪光灯泵浦带来的热退偏和其它负 作用；可以以1 0h z 的重复频率运行，为后续激光器件系统和靶场系统提供方便的调 试光源。采用l d 将提高整个驱动器系统的运转效率、稳定性和成功率。 近年来，二极管泵浦固体激光器的研究主要集中在如何提高激光输出功率的同时 保证好的光束质量。但是，在保证激光器高光束质量和输出效率的同时来提高输出功 率并不是一件容易的事，其中主要障碍来自于泵浦时激光晶体内热量的积累，它会带 来温度分布的不均匀性，以及因此而产生的内部应力，晶体端面变形等问题。这些影 响产生的热透镜效应将会导致激光光束质量变坏，应力双折射退偏效应等，当热应力 2 超过激光晶体的应力极限时甚至会导致晶体破裂【5 1 。 对于固体激光介质的三种主要构型；圆棒、板条和薄片，圆棒最易产生径向温度 梯度，从而产生热透镜效应和由热致双折射引起的退偏效应【9 1 。“之”字形板条很大程度 上克服了圆棒的缺点，板条中的热流近似为维分布，“之”字形方向只存在微弱的热 透镜效应，并基本消除了热致应力双折射。但板条放大器存在两个主要缺点：一是光 束在板条宽度和厚度方向有像散，二是其放大受到厚度的限制。采用薄片放大器设计 可以允许介质具有高的泵浦功率密度而不产生显著的温度梯度，当泵浦区尺寸远大于 薄片厚度时，热流可认为是沿厚度方向的一维分布。合理设计泵浦耦合结构，可以使 薄片径向温度分布近似均匀，从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射，因 此薄片激光器可以放大到很高的平均功率【3 】【4 1 。 自从1 9 9 2 年德国斯图加特大学发明t h i nd i s k 激光器以来，t h i nd i s k 激光器的研究 获得了飞速发展，基横模输出功率已达1 0 0 w ，使用多片薄片晶体的串联已获得上千瓦 的多模输出。通过改进光泵浦系统，t h i nd i s k 激光器可以在室温下达到的5 7 光光效 率。此外，t h i nd i s k 激光器在放大、锁模等领域也有迅速的发展。 t h i nd i s k 激光器的基本设计思想是利用很薄的碟片型晶体来做激光器的增益介 质。这片晶体被安装在热沉上，由于热源与热沉问的距离很小，因而即使在泵浦功率 密度很高的情况下，晶体内部的温升也不会很大。当泵浦光以近平面波入射，并且晶 体的直径比厚度大得多的情况下，其热通量可被看成是一维的情形。这样的晶体内部 温度分布大大降低了晶体的热形变。这远优于传统冷却方案的特点，使得在保持泵浦 功率密度不变时，只需简单地增大泵浦直径，就可提升输出功率 6 1 。 近年来国内多个单位也开展了薄片激光器的研究工作。2 0 0 2 年清华大学李超等人 在国内首次获得1 6 w 连续激光( 波长1 0 3 0 n m ) 输出的二极管泵浦y b ：y a g t h i n d i s k 激 光器装置及数据。该激光器的泵浦方式采用端面泵浦，由于激光器对光路的变化十分 敏感，光路的调节对整个激光器的效率带来很大的影响。 2 0 0 4 年中国科学院上海光学精密机械研究所楼祺洪等人采用端面泵浦掺杂浓度 为1 0 a t 的掺y b 多晶透明陶瓷的方式获得1 0 。5 w 的连续激光输出。2 0 0 5 年中国工程物理 研究院应用电子学研究所姚震宇等人采用四通光学耦合端面泵浦系统，通过提高二极 管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性，优化经微柱透镜准直后光束的发散角，实 现泵浦光的近平顶分布，采用两片l m m 厚的n d ：y a g 薄片激光介质，在两个峰值功率 2 0 0 0 w ，占空比为1 5 的二极管激光器阵列抽运下获得峰值功率1 4 4 0 w ，平均功率 2 1 6 w 的准连续激光输出，光光转换效率为3 6 。 能够作为激光放大的工作物质很多，例如n d ：y a g 、y b ：y l f 等，但是能够同时满 足放大要求且满足高的重复频率的物质并不多，以玻璃为基质的工作物质恰好能够平 衡上述的要求，其可分为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐及氟磷酸盐四种。对于高能放大用 的激光玻璃，要求其具有很高的增益系数、荧光寿命、机械强度、热学和化学稳定性，很 低的热光系数和非线性系数等。研究发现，磷酸盐玻璃具有很高的增益系数，其荧光强 度高于硅酸盐玻璃，且其带宽比较宽，由于磷酸盐具有较好的综合性能，因此，目前 国内外主要采用磷酸盐作为基质玻璃系统【7 】i s 】。 放大器优化设计的要求是在保证放大器总体性能的前提条件下，提高总体的效率， 平衡工程难度，降低造价。对于高功率激光放大器的优化设计主要涉及以下一些研究 课题：1 ) 多程放大器放大过程中粒子数的变化规律及其对能量提取效率的影响；2 ) 光 束空间分布的优化设计；3 ) 放大器增益介质光性参数的优化设计。 为了能够有效地提高系统效率，降低系统造价，从而提高系统的性价比，继m o p a 系统后出现了多程放大系统。多程放大系统是新一代i c f 驱动器再生放大系统的优选 方案，受到了广泛重视。多程放大技术的理论和实验研究始于六十年代末，至今已取 得了一系列的研究成果。特别是美国l l n l 于九十年代初建造的b e a m l e t 已成功地将 这一技术应用于高功率钕玻璃放大器上。b e a m l e t 在主放大系统中采用了其它大型激光 系统所从未采用过的两项新技术，即多段阵列式放大器构型和多程放大技术。使用多 段阵列组合式放大器和多程放大技术的目的是为了能够有效地提高系统的工作效率和 提高驱动器的性价比，但技术难度相对较高。多段阵列式放大器构型的采用能有效地 提高主放大系统的储能效率，多程放大技术的采用则有效地提高了再生放大系统的能 量提取效率，从而大大地提高了激光系统的能量转换效率，降低了建造费用，使建造 更大规模的激光系统成为可能。以n o v a 装置的能量和功率输出水平跟其造价作比较， 采用多程放大方案输出单位焦耳能量的造价降低了2 5 3 0 。而n i f 输出单位焦耳能 量的造价已降到早期n o v a 装置的三分之一。 高功率激光放大系统采用薄片的多程放大结构，可以有效地降低整个装置的造价， 提高系统的性能价格比。由于薄片状结构的增益介质具有高的t e m o o 模填充率、低的 热效应，使该种增益介质结构的放大器成为了未来高平均功率高光束质量激光器的重 要发展方向。 1 3 论文研究的内容 多程片状放大器设计的要求是在保证系统总体性能的前提条件下，提高效率，平 衡工程难度，降低造价。本项研究主要涉及以下方面； 1 ) 多程放大器增益特性及能量提取的研究： 2 ) 光束空间分布的控制； 3 ) 薄片式放大增益介质光学参数的优化； 4 ) 多程放大模块结构的优化； 5 ) 整体工程实现等问题。 本课题研究工作着重探索高功率二极管泵浦片状n d ：g l a s s 的多程放大特性，包括 l d 泵浦均匀性、片状n d ：g l a s s 的增益特性、热分布特性、光路的总体考虑、及其对输 出光束波前分布的控制、工程实现等工作，同时探讨高效高光束质量激光输出的优化 原则及具体措施。 4 第二章多程放大技术 为了获得良好的高能量( 大功率) 激光输出，发展了脉冲激光放大技术。同时随着世 界各国相继研发、建造用于惯性约束聚变( i c f ) 的高功率、大能量激光驱动系统，推动 了脉冲高能放大所涉及的物理过程的研究。由于各国放大器主要采用m o p a ( 主振荡器、 前置和主放大系统) 结构，放大系统涉及的是多级放大器的放大链问题的研究。但是此 类装置庞大复杂、造价高昂，储能利用率不高，于是一些装置采用了多程放大技术， 也发展了激光多程放大理论。 对脉冲激光放大物理机制的深入研究， 放大器的性能，对其进行合理有效的控制， 光放大具有非常重要的意义。 2 1 脉冲激光放大器简介 不仅可以优化设计放大器，而且可以掌握 尤其是放大器增益等特性对实现高功率激 激光放大器按被放大信号的脉宽如的大小可以分为三类：连续激光放大器、脉冲 激光放大器、超短脉冲激光放大器。 激光放大器是与激光振荡器一样基于受激辐射的光放大过程，只是前者不具谐振 腔结构。振荡器产生的光脉冲能量和功率很小但发散度和线宽较小，当它经过放大器 ( 其工作物质在泵浦源的作用下，处于粒子数反转状态) 后，由于入射光频率与放大介质 的跃迁频率相同，介质中高能级大量粒子在外来光信号的作用下产生强烈的受激辐射， 使得入射光得到放大，获得比入射激光强度高得多的出射光束。激光放大器要求工作 物质具有足够的反转粒子数，以保证光脉冲信号通过它时得到的增益大于介质损耗阈 值，对阈值的要求相对不高。对于放大器的定量描述一般采用f r a n t z n o d v i k 模型i l 。 激光放大器工作物质中存在着由各种物理因素引起的弛豫过程。由于辐射跃迁过 程引起粒子在能级上的有限寿命导致反转集居数有一定的弛豫时间t l ，称为纵向弛豫 时间，对于固体工作物质t l 约为1 0 一s 。另外，由于粒子相互交换能量过程引起的非辐 射跃迁也使激发态粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间t 2 ，称为横向弛豫时间。对于 均匀加宽工作物质，t 2 具有谱线宽度的倒数的量级，钕玻璃的i 2 = 1 0 1 1 s 。 对于连续激光放大器，输入激光信号1 ：0 t l ，受激辐射消耗的反转粒子数可以很 快地被泵浦激发所补充，反转粒子数密度能维持在个稳定值附近而不随时间变化， 即d a n d f 0 ，而只与工作物质的长度有关，即a n = a n ( z ) ，因此可以用稳态方法来研究。 对于超短脉冲激光放大器，输入激光信号t o t 2 ，激光与物质的相互作用时，由于 物质的宏观电极化跟不上光场的快速变化，所以不能忽略物质的原子和光场相互作用 的相位关系，必须用半经典理论进行分析。 对于脉冲激光放大器，输入激光信号t 2 5 而 t 1 ，因受激辐射而消耗的反转粒子数 来不及由泵浦补充，反转粒子数和光子数在很短的时间内达不到稳定状态，因而是随 时间变化的，即a n = a n ( z ，t ) ，须用非稳态方法研究，同时因为砣t 2 ，可以忽略物质 的原子和光场相互作用的相位关系，可用速率方程来进行分析。 2 2 脉冲放大器的速率方程 设激光工作物质的长度为l ，光信号脉冲沿z 方向入射到激光工作物质，如图2 1 所示。 瓴t ， 图2 1 激光放大示意图 由于光信号在行进过程中消耗反转粒子数而不断被放大，所以单位体积中的光子 数和反转粒子数都是时间和空间的函数，分别以中( z ，t ) 和a n ( z ，t ) 表示。为了使i - j 题简化， 假设放大器工作物质的横截面中反转粒子数是均匀分布的，且忽略谱线宽度和线型的 影响，以及光泵和自发辐射对反转粒子数的影响，则三能级和四能级系统的反转粒子 数密度速率方程分别为： 我级：掣- _ 2 e r a 啦m f ) ( 2 1 ) 醮级：掣= 一幽( 列) m ，r )( 2 2 ) 其中：o 是受激发射截面，i ( z ，t ) 是光子流强度。 下面考察工作物质在z - z + d z 体积元中光子数的变化，光子数变化是由以下原因 引起的： l ， d t 时间内流入与流出d z 单位体积中的光子数不相等而引起光子数变化，在d t 时间内流入体积元的净光子数为： ( z ，f ) 一( z + 比，r ) c d t ( 2 3 ) 2 ，由于受激发射，单位体积元光子数增加，在d t 时间内单位横截面积d z 长度的 工作物质中产生的光子数为： e r c 矽( z , f ) 血( z ，t ) d z d t 佗4 ) 3 ， 工作物质的吸收、散射引起光子数目的减少，7 为损耗系数，其物理意义是单 位时间内损耗的光子数占总光子数的比例，d t 时间内减少的光子数为： 6 y q a ( z ，t ) d z d t ( 2 5 ) 因此d t 时1 4 内单位体积元中光子数密度的变化率可表示为： 掣沈斫= 矽( z ，) 一( z + d ( 乙嘞 c 出+ 盯c 矽( z ，r ) 加( z ，) d z d t 一易( z ，) d z 衍( 2 6 ) 式中将上式整理后，光子数密度的变化率可以用下列偏微分方程表示： 掣+ c 掣岫帅r m 硝) 亿7 ， 因为i ( z ，t ) = c q b ( z ，0 ，所以描述光子流强度变化率的方程为： 掣+ c 掣( 卵恸( 列) ) 三能级和四能级的光子流强度的变化速率方程相同。方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 是脉冲放大器的基本方程【l l 】。 2 3 速率方程的求解 速率方程求解分为两种情况讨论：一是忽略损耗情况下求解：二是考虑工作物质 的损耗进行求解。通过求解速率方程就可以求出入射脉冲信号在放大器中任意位置和 时间的光子流强度和反转粒子数的变化。 2 3 1 无损耗速率方程的解 在不计放大介质的损耗即丫= 0 的情况下，采用变数分离可以求解速率方程。在无 损耗的情况下我们可以求得方程的解析解，这样便于我们分析问题。因为丫= 0 ，所以式 ( 2 8 ) 变为： 掣+ c 掣一( 甜r ) 、 假设脉冲放大器的输入信号初始光子流强度为i o ( t ) ，在z = o 处进入工作物质，工 作物质有效长度为l ；又设信号进入放大器之前，工作物质中初始反转粒子数密度为 a n o ( z ) ，则速率方程的边界条件为： i ( o ，) = 厶( f ) 血( z ，f o ) = 瓴( z ) ( z - - - o )( 2 1 0 ) ( 0 z l )( 2 1 1 ) 根据上述边界条件，联立求解速率方程( 2 1 ) 和( 2 9 ) ，可分别求出三能级系统入射 脉冲信号进入放大器任意位置z ，任何时刻t 的光子流强度和反转粒子数密度的变化为； 7 心一5 面再尚一 ，、觇( z ) e x p 卜r 瓴( z ) 沈 酬乙力2 可孑丽苹车向 同理，由方程( 2 2 ) 和( 2 9 ) ，得出四能级系统的非稳态解： 七力2 下而考一 ，、瓴( z ) e x p 卜r 瓴( z ) a z i 加。卜砰两雨# 丽薪 - i ( z , t ) ：型掣面( 硝) = 竽掣 ；( 扣钟( z ，沪砸硐_ _ ( 叫) 吉掣= 石( 印) 确) 刀= 丢厂 f5 l ，一詈j ， 掣= 陌( ”) 一m r ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 在此我们以四 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 划o：面(77，f)：一面(刁，f)确f)r u l 圳 经变换后( 2 1 8 ) 式右端的第二项即为损耗，而( 2 2 ) ，( 2 8 ) 式中的受激发射截面。与损 耗系数丫均带入到归一化量i 与变量t 1 ，t 中。现在的问题是求解( 2 1 8 ) ，( 2 1 9 ) 式。由 ( 2 1 9 ) ；- - 可得： 一a n ( r ，f ) = a n o e - 1 ( , 1 , ) d , = 砾嘶” ( 2 2 0 1 式中瓦是f = o ，时的归一化反转粒子数密度，r ! 刁，f ) = l 7 ( 叩，r 矽f 的物理意义是 在1 1 处，- o o ，d 时间内的归一化光子流密度。将( 2 2 0 ) 式代入( 2 1 8 ) 式，便得： 掣2 一鲁 矿 f ) l ( 2 2 j ) 式对t 积分，得： 型o r 刊一矽r ) + ) 蚴 考虑边界徘当啪力专掣隅 掣= 瓦卜鲰忡( ”) 蚴 将( 2 2 3 ) 式积分可得： 。 r ( v )积f ，7 f 1 7 7 _ 岛j f ) 司五赢葡 = f r ( r l ，f ) ，- 一f k ) ，瓦 ( 2 2 4 ) 式中，表示在q = o 处，( - ，矽时间内的归一化光子流密度。再将( 2 2 4 ) 式变换 一下形式，有： f i r ( r l ，f ) ，瓦p ，瓦h亿2 5 ) ( 2 2 5 ) 式表明输出端的函数值f r ( 刀，f ) ，瓦 可由输入端的函数值f r o ( f ) ，瓦 加上放大器的贡献叩5 i 7 得到。这样给定初始条件、r ( f ) 的情流下，就可以求出加上放大器的贡献c 。得到。这样给定初始条件山b 、1 ，的情况下，就可以求出 放大器输出端的函数f ( r ) ，再求反函数即可求得r ，将r 对f 微分就可求得归一化 输m 光早流强唐耳乃 9 尺( 彬) 矿1 盼，瓦) 嘲 协r ) = 掣 ( 2 2 7 ) 函数f ( r ，n 。) 不是初等函数，函数与反函数的计算须进行数值编码计算。 2 4 多级放大理论 多级放大器是多个单级放大器串联在一起，某级放大器输入与其前级放大器的输 出相关，其输出又与后级放大器的输入相关。因此根据前面级放大有损耗速率方程 的求解的推导，我们可以将其推广到n 级放大。 设各级的函数与放大器的贡献分别为f i ，f z ，f n ；1 1 l ，1 1 2 ，”n ，参照 ( 2 2 5 ) ，( 2 2 6 ) ，( 2 2 7 ) 式可得： 互( 局，酬= 互( r ，酬+ ( 2 2 8 ) r = 州讯圳+ 确 z ：垫 a f ( 2 3 0 ) 在不考虑级间损耗时，第i ( i 1 ( 3 1 ) 式中r l ，r 2 为谐振腔两端面的反射率，旺为损耗系数，l 为激光工作物质长度， d 为增益系数： 2 2 q o 尸f ( 3 2 ) 式中唧为峰值受激发射截面，a n 为离子粒子反转密度，n o 为激活离子浓度，p 为抽运光强度，f 为荧光寿命，其中通常用简化模型计算得到： 1 允4a c r p 2 而了面 ( 3 。3 ) 式中，a 为自发辐射爱因斯坦( e i n s t e i n ) 系数，九为荧光中心波长，兄为荧光半宽 度，疗为工作物质折射率，c 为光速。 2 ) 非线性折射率 在强光作用下，极化作用以及光与原子内部的相互作用产生了非线性折射率： 门= ，2 。+ 玎2 2 ( e ) + ， ( 3 4 ) 式中行为介质在通常光的折射率，伤为非线性折射率，e 为强光下的电场矢量。 在强激光作用下，2 2 会产生自聚焦，使光束质量变坏，也会使激光工作物质的表面及基质 内部产生破坏，通常引用b 积分来表示激光束质量【1 8 】 ? 2 要1 0 7 肛 5 ， 3 ) 热光稳定性【2 6 】 热光稳定性是决定激光作用下引起输出表面热畸变的特征系数，通常用w 表示： 肚鲁州剃) ( 3 6 ) 式中次( 也有用1 3 表示) 为温度改变时引起的折射率变化值，丫为材料的线膨胀 系数【2 0 1 。 对于片状放大器系统，我们主要关心的是它的增益能力，所以对各种损耗的计算， 都可以归结到对整个系统静态透过率的考虑，由此可以求出系统的损耗系数【3 3 】f 3 4 】。通 过- 1 - 作物质的光强和损耗之间的关系为： ，= 1 0e x p ( 一口，) ( 3 7 ) 式中，i 为通过介质后的光强，i o 为通过介质前的光强，z 为激光增益介质长度f 2 2 1 。 总的损耗系数： 口2 口幽+ 口可+ 口$ c q f 3 8 ) 其中散射吸收系数口一约为1 0 5 量级，可以忽略不计，口r e 为菲涅耳反射，当磷 酸盐玻璃的折射率n 确定后，该值就为一常数，对于n 3 i 样品，其中1 0 5 4 p m 处的折 射率为1 5 2 8 。所以，实际计算的是吸收系数口咖，吸收系数的大小直接与玻璃中的杂 质含量有关，故与玻璃的生产工艺有直接联系。此外，光吸收还与玻璃表面特性，如 由于环境的影响使得玻璃表面发生潮解或者灰尘污染等等有关，这些因素也同样会影 响放大器的增益能力【1 9 1 【2 3 】。 多程放大器的工作物质拟选择中国自行研发的n 3 l 磷酸盐钕玻璃，泵浦源的注入条 件是2 7 k w ，脉宽为3 5 0 t s ，泵浦区域尺寸为l o m m l o i n m ，这样对角线长度约为1 4 2 m m ， 考虑到机械结构的安装尺寸，我们选择的直径为由2 5 。由3 7 式可以算出增益介质的长 度，这里a 为5 c m 一，系统要求工作物质对泵浦光的吸收率要大于9 5 ，可以得到工作 物质的长度为5 m m ，这样我们就确定了工作物质的尺寸为中2 5 5 m m 。 第四章实验论证和改进 4 13 k n 增益模拟实验 3 k w 增益模拟实验是多程放大器的前期增益验证试验，泵浦源选择与实际2 7 k w 泵 浦源相同厂家的面阵l d ，即为3 3 阵列中的一个小单元。为了模拟与实际泵浦源相同 的功率密度，在3 k w 面阵l d 和工作物质间加入焦距为3 4 m m 的透镜，经过模拟计算， 3 k w 面阵l d 经过透镜聚焦后的聚焦光斑为3 3 m m x 3 3 m m ，面积恰好为1 0 r 1 1 n - i x1 0 m m 的九分之一。 图4 1 实验原理光路 4 1 1 水温对实验条件的影响 在3 k w 增益模拟实验中，我们研究了水温对实验条件的影响，在改变泵浦源冷却 水水温的条件下，l d 输出功率和n 3 l 钕玻璃吸光效率的变化规律。 圃 茎三 ： u ： 墨 二j o 一 1 41 61 8 2 0 2 22 4 7 9 9 , ；t 。c 图4 2 水温对l d 输出功率的影响曲线 结论：l ，在注入电流为1 2 0 a 时，温度在1 5 。c 时的功率最大，为2 9 9 k w ； 2 ，温度改变1 0 0 c 的功率变化不大，约为2 0 9 。 1 0 0 言 h 一 - u , 4 一- r - b 守 ；- r d 7 0 划 1 u 1 z1 q 1 0l h刖z z 温度。c 图4 3 水温对n 3 l 钕玻璃吸收泵浦光的影响曲线 结论：1 ，在注入电流为1 2 0 a 时，温度在1 3 。c 时的透射出来的光能最小； 2 ，从工作物质里透射出来的光能比较少，约占9 1 5 ： 3 ，温度改变1 2 。c ，透过的能量该变量只占总泵浦能量的0 9 7 ，基本上可 以忽略。 4 1 23 k w 模拟单程放大增益实验 泵浦源冷却水水温2 0 4 。c 、种子源灯放电触发信号相对l d 放电信号延时2 0 9 s 、 测试距离为1 5 0 0 n u n ，l d 放电脉宽为3 5 0 i - t s ，试验中去除了l d 泵浦源的影响，测量 的结果如下。 表4 1 不同泵浦单程放大倍率实验数据 电流( a )单程放大倍数 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 1 1 2 7 1 1 7 6 1 2 4 9 1 2 3 7 1 2 8 8 1 3 2 1 3 4 5 图4 4 不同泵浦单程放大倍率曲线 从上面的实验结果可以看出，水温对l d 输出功率和n l 钕玻璃吸光效率的影响很 小，影响这两方面的因素的本质是半导体激光器的波长随温度的变化规律。用3 k w l d 面阵模块试验得到的结果，温度每升高一度，泵浦光的中心波长向长波方向飘移02 r i m ， 由于钕玻璃以$ 0 2 n m 为中心波长的吸收光谱半宽为3 0 n m 左右，所以温度造成泵浦光 波长的漂移对放大器的影响很小。 3 k w 增益模拟实验的小信号增益最大为13 3 倍，这与设计值单程2 倍的小信号增 益差距很大，造成增益低的原因可能是：3 k w 面阵泵浦模块的整形是由单透镜来实现 的，用这种方法得到的泵浦模式与实际的要求不完全一致，单透镜会造成泵浦的不均 匀，同时有球差等因素的影响。 42 多程增益实验 多程增益实验使用的试验装置是与实际片状放大器相同的泵浦源和耦合器。泵浦 源为3 x 3 阵列排布的球面面阵l d ，总功率为2 7 k w 。9 块l d 叠片联合制冷，整体镶 嵌在球面的紫铜上，紫铜体内部有微通道的水冷结构，实物如下图： 图4 5 泵浦源实物照片 实验中的耦合器我们选择了第二种方案，即l d 泵浦源所组成的球面半径为 2 6 口m爆目 1 9 5 m m ，导管长为2 0 9 2 6 m m 导管的倾角为44 5 度，l d 泵浦源的球心在介质后2 0 m m 处。 图4 6 方案二耦台器实物照片 分别用c c d 光束质量分析仪和相纸监测了从耦舍器输出2 7 k w 泵浦源的光束质量， 从实验中得到的结果可以确定泵浦源和耦合器的设计是成功的，光束质量和耦合器的 传输效率都要比设计的指标理想。 图4 8 距离耦合器出光口5 m m 处相纸接收的光斑 用功率计测量泵浦源在脉宽为3 5 0 l i s 时的输出能量，从图4 9 中可以得到耦合器的 传输效率，经过计算，耦合器的传输效率约为9 4 ，高于设计值。这说明，泵浦源和 耦合器设计成功。同时还监测了从钕玻璃漏出的光能量，在泵浦为2 7 k w 时，漏光率小 于7 ，也就是有近9 3 的泵浦光被工作物质吸收大部分均转换成储能。 够 百一一 乡l ：靼然” 02 0 4 0 l o oi 仝0 1 1 6 02 自女( ” 图4 9 能量和透过率曲线 我们在多程增益试验中，共进行了五种实验，目的是验证多程放大的可行性和增 益特性，达到单程2 倍的小信号增益。 421 谐振腔法测量储能和小信号增益实验 在前面测量工作物质吸光效率时，已经验证过有近9 j 的能量被工作物质吸收。但 这9 j 的能量是否完全转换成储能现在还并不能确定，这里设计的谐振腔法实验能够间 接的实验计算出工作物质上的储能大小。 实验装置如图41 0 ，工作物质一面镀有1 0 5 3 r i m 全反防水膜和8 0 2 r i m 增透膜，另 一面镀1 0 5 3 r i m 增透膜，靠近泵浦源的一面通水冷却，在另一侧放置反射率不同的输出 镜，同工作物质组成简单的谐振腔，改变输出镜的反射率，测量输出能量，通过公式； f 晶3 兹h ) 1 其中；e 为谐振腔内的能量，e * 为谐振腔外的能量，r 为输出镜的闻值反射率。 且是g 。= 1 f 42 、 其中，r 。为工作物质靠近泵浦源的面的反射率，我们认为其为1 0 0 ，r 2 为输出 铺的反射率，o 为小信号增益倍数8 ”。 图41 0 谐振腔法测量储能和小信号增益试验装置 图4 1 1 输出镜透过率与输出能量关系曲线 结论；通过上面的实验，计算得到工作物质在2 7 k w ，3 5 0 p s 泵浦条件下有8 6 7 j 的储能，比设计值高5 0 。但是由公式4 2 计算得到的小信号增益倍数只有1 4 2 倍， 比设计值小5 0 ，具体原因需要进一步验证。 422 双程增益实验( 2 7 ) 在本实验中采用了自行措建的a 轴切割的n d ：y l f 激光器作为种子源，用m 0 6 的 小孔选出基横膜。 j 。黔 图41 2 种子光光束质量 谐振腔后加入4 5 。半反半透镜片，将种子光分成能量均等的两束，一束用来做信 号光，另一束用来做测量的参考光，信号光经过8 倍扩束后用m 5 的小孔选出能量均匀 的光斑作为信号光注入到放大器的工作物质内。下图为双程增益曲线： 5 ；l 譬1 理 毒旷：三鍪溺 4 ；w 1 2 01 3 0 4 01 5 01 6 01 7 0 i 主八电流( a ) 图4 1 52 7 k w 多程增益实验数据曲线 结论；通过实验验证了多程放大模块设计合理，调节方便，且结构稳定。 测量单脉冲能量为1 0 5 j ，采用5 的圆光斑作为信号光，得到十二程增益为3 1 倍， 单程为1 3 3 倍，结果与双程增益实验结果基本一致。 4 2 4 工作物质包边及磨毛对比实验 由于前面实验得到的增益结果与多程放大器设计值相差很大，我们认为是由于泵 浦能量高，工作物质的掺杂浓度大，可能在工作物质纵向上产生了严重的a s e 效应， 损耗了泵浦能量，减小了工作物质上的储能【3 引。 05 01 0 05 02 0 02 5 03 3 5 04 0 0 信号光相对泵哺光前沿延日t ( u s 】 图4 1 6 工作物质包边及磨毛对比实验曲线 结论；试验中包边处理是将工作物质边缘磨毛涂黑，防水膜面只保留1 2 1 2 面积 大小的区域，其他部分磨毛涂黑，并用透明胶保护，从图4 1 6 中可以看出，这种处理 并没有增加单程增益。 4 2 51 5 a t 中2 0 棒模拟实验 从上一实验可以得到的结论是：包边和磨毛的方法没有得到预期的效果，小信号 增益没有增加。但是由第二章的理论计算可以得到，在储能为4 j ，工作物质的有效长 匏 北 船 拍 烈 强 加 侣 哥皂k 疆 1 h l 1 i ， 1 n u 5 i 3 2 ， 0 9 涮释斛斟 度为5 r a m 时小信号增益已经达到2 倍，理论计算和实验结果相差很大，此时我们依旧 认为是片状增益介质纵向上存在a s e ，简单的包边和磨毛并没有很好的抑制a s e 。 为了验证我们的假设，搭建了1 5 a t 2 0 棒模拟实验，用掺杂低浓度的棒取代高 浓度的片状工作物质，图41 7 为棒模拟实验图，用相同的泵浦源泵浦，相同的测试手 段，验证是否有a s e 存在，图41 8 为捧状和片状增益对比实验曲线。 图41 715 a t e p 2 0 棒模拟实验装置 0 口7 h f m l 图4 1 8 棒状和片状增益对比实验曲线 t “日) 图41 9 片状工作物质荧光曲线 “#mh 日* * 结论；以1 5 a t 0 2 0 棒为工作物质的最大小信号增益为1 5 7 ，比片状工作物质的 小信号增益要高，这里还需考虑棒和泵浦源的口径匹配，泵浦源的传输发散角等因素 对棒的增益试验的不良影响，所以真实的棒状小信号增益还要比实验结果高。 同时我们通过两种方法测量了片状工作物质的荧光曲线，一种是用增益曲线法， 结果得到3 1 0 p , s 的荧光寿命。另一种方法是用专业的仪器测量，结果是3 2 0 r t s 。两个结 果与理论值相符，排除了由于浓度高影响荧光寿命的怀疑。 从实验结果可以确认片状放大器内存在严重的a s e 现象。 4 3 方案优化 4 3 1a s e 效应分析 片状放大器( m s a ) 是目前钕玻璃激光放大器的发展方向，具有储能密度高、抽运均 匀性好等优点。但是，作为高功率的激光放大器，不可避免地存在自发辐射放大( a s e ) 问