（光学专业论文）组合式高功率多程放大固体激光装置束间功率平衡研究.pdf

日j 大掌q l 士学位董! 丈 组合式高功率多程放大固体激光 装置束问功率平衡研究 光学专业 研究生许兰指导教师彭翰生 高功率固体激光器是用于惯性约束聚变( i c e ) 研究的重要驱动器，激光束 间输出功率平衡是保证直接或间接驱动惯性约束聚变靶丸内爆对称压缩的主要 因素之一。由于新一代高功率固体激光装置采用了多程放大技术和放大器组合 阵列式结构的总体技术路线，装置束闻输出功率平衡的影响源及功率平衡控制 方法均有别于传统基于l l l o p h 技术的装置。因此，根据这种新型的高功率固体激 光装置结构特点，全面分析束间功率平衡的影响因素，研究随机误差控制指标 分配方法以及控制各路固有差异实现束问功率平衡的方法，是高功率固体激光 装置设计和建造中需要研究的关键问题之一。本文就以上问题具体开展了以下 研究工作： 1 建立了功率平衡分析计算模型。通过在基于速率方程的光传输模型基础 上引入蒙特卡罗方法，实现了束间系统误差和单路发次问随机误差的统计模拟 计算。相应开发的计算程序能够统计计算出多路束同或单路多发次间的输出能 量分布和功率平衡分布情况； 2 针对组合式四程放大高功率固体激光装置，比较全面地分析了系统输出 功率平衡的影响源，并将影响源分为随机误差和系统误差两大类，根据建立的 功率平衡计算模型，分析了各影响源对基频光输出能量和功率平衡的影响； 3 提出了随机误差控制指标分配方法。该方法能够实现随机误差的控制指 标合理分配，同时能够用于元件参数一致性指标分解。通过功率平衡分析计算 l 目j 大掌司l 士掌位论文 程序验汪，分配指标均满足要求； 4 提出了一种控制能量平衡的方法。从单程放大理论出发，推导了输出能 量偏差和注入能量调整量的解析关系，并推广到多程放大，得到了两者的关系 曲线，并结合实验结果提出了利用这一对应关系指导能量平衡实验的控制方法； 5 讨论了一种控制脉冲波形的方法。将脉冲波形放大的增益通量曲线运用 于多程放大中，讨论了由已知输出脉冲波形求解注入脉冲波形的逆问题，并提 出利用此方法可以指导功率平衡实验。 本论文针对组合式四程放大高功率固体激光装置的结构特点，对功率平衡 的相关问题作了初步探索，将束问功率平衡影响源分为随机误差和系统误差两 大类，并分别提出了随机误差的指标分配方法和系统误差的补偿控制方法。分 析结果能为大型高功率固体激光装置的设计和建造提供重要理论依据 关键词：组合式四程放大激光装置能量平衡功率平衡系统误差随机误差 增益饱和 h 四j i i 大掌司e 士掌位埝文 s t u d yo nt h eb u i l t - u ph i g hp o w e rm u l t i p a s s s o l i d s t a t el a s e rs y s t e r m sp o w e rb a l a n c e o p t i c sm a j o r p o s t g r a d u a t e ：l a nx u dir e c t o r ：h a n g s h e n gp e n g s u c c e s s f u ld e m o n s t r a t i o no fl a s e rf u s i o nf e a s i b i l i t yi sc r i t i c a l l y d e p e n d e n to nt h ea b i l i t yt od r i v et h ei m p l o s i o nw i t hav e r yh i g hd e g r e e o fs y m m e t r yo v e rt h ew h o l et i m eo ft h et a r g e ti r r a d i a t i o n i r r a d i a t i o n u n i f o r m i t yo v e rt h ee n t i r es u r f a c eo ft h et a r g e tc a no n l yb ea c h i e v e d w i t haf a i r l yl a r g en u m b e ro fi n c i d e n tl a s e rb e a m ss y m m e t r i c a l l yd i s p o s e d a r o u n dt h et a r g e t t h a ti st h es a m eo u t p u te n e r g y ，t h es a m eo u t p u tp u l s e s h a p ea n db e a ms y n c h r o n i z a t i o no fe a c hb e a m ，h e n c e t h et e r m“p o w e r b a l a n c e ”t h em u l t i - p a s sa m p l i f i c a t i o ni s af i n el a s e ra m p l i f i e r c o n f i g u r a t i o n i tc a ni m p r o v es y s t e mo u t p u tc a p a b i l i t i e sa n dd e c r e a s e s y s t e mc o s t s h o w e v e r ，t h eb u i l t u ps t r u c t u r eo ft h em a i na m p l i f i c a t i o n i m p l i e st h a tt h eg a i no ft h em u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o nc a n n o tb ea d j u s t e d e a s i l y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eo p t i m u ms t r a t e g i e sf o r c o m p e n s a t i n gf o ri n t r i n s i cd i f f e r e n c ea m o n gb e a m sa n dt od e t e r m i n et h e a l l o c a t i o no fr a n d o mv a r i a t i o n st os u b s y s t e m st om e e tt h ee n e r g ya n d b a l a n c er e q u i r e m e n t t h ef o l l o w sa r et h ec o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i s t h e s i s ： 1 am u l t i - b e a mm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ep u r p o s eo fe s t i m a t i n g t h ep o w e ri m b a l a n c e t h em u l t i b e a mm o d e lh a sb e e nu s e dt os i m u l a t e i n d i v i d u a ll a s e rc h a i nw i t hd i f f e r i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h e i 四j 大掌硕士掌位沧文 m o d e lc o u l dc a l c u l a t et h ee n e r g ys p r e a da n dp o w e ri m b a l a n c ed u et o r a n d o mv a r i a t i o n sa n ds y s t e m a t i cv a r i a t i o n s t h i sm o d e lc a na l s ob e a p p l i c a b l et ot h eo t h e rl a s e rs y s t e m s 2 t h es o u r c e so fr a n d o ma n dr e p e a t a b l ev a r i a t i o n si nb e a me n e r g ya n d p o w e ra r e1 i s t t h e n ，t h ee f f e c t so fa l l t h es o u r c e so nt h ee n e r g y a n dp o w e rb a l a n c ea r ec a l c u l a t e d 3 b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o u r c e so fr a n d o mv a r i a t i o n s a n dp o w e ri m b a l a n c e ，a no p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm o d e li sp r e s e n t e d t h ea l l o c a t i o no fs h o t t o - s h o te r r o r sw a se v a l u a t e d ，a n dt h er e s u l t s w e r em o d i f i e d i ta p p l i e st h a tt h i sm e t h o di s f e a s i b l e 4 s t u d i e sh a v eb e e nm a d eo nt h eo p t i m u ms t r a t e g i e sf o rc o m p e n s a t i n gf o r i n t r i n s i cd i f f e r e n c e sa m o n gb e a m s b a s e do nt h el a s e ra m p l i f i c a t i o n ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e q u i r e da d j u s t m e n ti nt h ei n j e c t e d e n e r g yt h a ty i e l d sl we n e r g yb a l a n c ea n dt h em e a s u r e d1 wo u t p u te n e r g y d e v i a t i o n ( f r o mt h er e t e r e n c eo u t p u te n e r g y ) i sp r e s e n t e d i tc a n g u i d ee n e r g yb a l a n c e 5 w ed i s c u s sg a i nf l u e n c ec u r v eo ft h em u l t i p a s sa m p l i f i e r ，a n d c a l c u l a t et h ei n p u tp u l s ef o r i l lt h eg i v e no u t p u tp u l s e i tc a ng u i d e p o w e rb a l a n c e i na c c o r d a n c ew i t ht h eb u i l t u ps t r u c t u r eo ft h em a i na m p l i f i e ri n t h em u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o ns y s t e m t h er e l a t e dp r o b i e m so fp o w e r b a l a n c ea r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h e r ea r et w ot y p e so fv a r i a t i o n s i nl a s e rp e r f o r m a n c et h a tl e a dt op o w e ri m b a l a n c e t h ea n a l y s i sr e s u l t s a n dt h ec o n t r o lm e t h o d so fa l lt h er e c o g n i z e ds o u r c e so fp o w e ri m b a l a n c e a r ea p p l i c a b l et ot h ed e s i g no fh i g h p o w e rl a s e ra m p l i f i e rs y s t e m k e yw o r d s ：b u ii t u pf o u r - p a s sl a s e ra m p l i f i e rs y s t e m 。e n e r g yb a l a n c e ， p o w e r b a l a n c e ，s y s t e m a t i cv a r i a t i o n s ，r a n d o mv a r i a t i o n sa n dg a i n s a t u r a t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪6 0 年代初，随着激光的出现和高功率激光器的问世，利用高功率 激光使聚变燃料发生聚变反应的理论和实验研究迅速发展起来。1 9 7 2 年，美国 劳伦斯利弗莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y l l n l ) 的n u c k o l l s 等人提出激光驱动内爆压缩实现惯性约束聚变的概念。惯 性约束聚变的基本思想是用激光作为驱动源辐照装有氘氚聚变燃料的靶球，当 燃料被压缩到一定的高温高密度，满足热核点火条件时，便发生聚变反应，释 放巨大能量“埘嘲。整个物理过程大致可以分为激光辐照，内爆压缩，聚变点火 和聚变燃烧四个阶段旧( 如图1 1 所示) 。 i ，* t 向 恃曲一t 裔褥婚 麓嘉茹器靶二蘸。蠢鬈。， 籍i 嚣玉翟一善；? 2 凝： 蒌i 辫善豁 图1 1 激光核聚变的基本过程 o 在燃料靶丸上驱动力的空间均匀性是惯性约束聚变驱动器的基本要求之 一。在整个靶丸的表面上辐照强度的变化必须小于( 1 2 ) 。对于直接驱动， 对束的平滑化要求很高，每个束的非均匀性必须小于2 ，各束之间的功率平衡 小于1 0 。对于间接驱动，要求可以放宽一些，每个束的非均匀性必须小于 2 5 ，各束之间的功率平衡的要求和直接驱动相同。因此，无论是间接驱动 还是直接驱动方式，都要求激光驱动源多柬、同步、对称，能为内爆靶丸提供 足够好的辐照对称性和均匀性。 因此，实现多束激光之间的功率平衡是i c f 激光驱动装置升级、精密化改 造的一个重要环节，受到世界各国科学家的高度重视。所谓功率平衡就是指激 四j i i 大掌硕士掌位论文 光装置的多路光在最终达到靶室的光脉冲不但能量相等而且波形相同，即功率 时时相等。要实现功率平衡，能量平衡是功率平衡的前提和基础，能量平衡和 波形一致缺一不可* ，。 神光一m 激光装置是未来我国i c f 靶物理研究关键的驱动器，根据其所需 完成的目标，经过多方面的靶物理研究( 包括有关实验、理论研究和大量的数 值模拟计算) 和参考国外情况，初步确定了其主要的指标，并作为其原型设计 的基础。它应具有充分的时间调制能力，以满足多种靶物理研究的需要。光束 应具有良好的时间、空间去相干光滑化能力，以抑制等离子体不稳定性到能够 接受的程度。光束的排布应具有较大的机动性，可用于间接驱动、直接驱动靶 物理研究。对于激光束的瞄准精度、各束之间的功率平衡、光束强度的空间分 布等也提出了相应的指标和要求。 神光- i l l 作为我国正在设计建造的新一代大型高功率固体激光装置，主放 大级采用多程放大技术和多段组合阵列式放大器构型。其结构特点决定了功率 平衡控制方法有别于传统m o p a 构型的激光装置，组合阵列式结构使得单路增益 控制困难，同时8 路激光共享一组泵浦模块还产生了由于泵浦灯的端口效应造 成的束间增益的固有差异等。目前神光一的原型装置正在实现全装置总体集 成调试( 即八束出光) ，因此，我们需要结合激光装置结构特点，开展束间功率 平衡的相关问题研究。 1 2 功率平衡的评价指标 为了定量地描述装置输出稳定性与可靠性，即包括同一发次中，束与束之 间的能量或功率起伏，以及不同发次之间输出能量或功率的抖动，针对装置输 出不同的脉冲时间波形，采用不同的技术指标。对时间平顶的脉冲( 无预脉冲的 矩形脉冲) ，由于任意时刻的输出激光能量与时间无关，采用能量分散度来定量 地描述系统输出能量起伏情况；而对时间整形脉冲，输出脉冲能量足时间的函 数，则应采用功率不平衡度“】【刀。 第一， 爿r 论 2 1 能量分散度 能量分散度是用于描述包括相同发次束间或不同发次间的能量起伏。若激光 器装置多路或多发次输出的一组能量为( 巨，e ) ，输出的平均能量或能量期望 值为e ，则这组能量值差异( e n e r g yi m b a l a n c e ) 为： 一a e ：墨兰( 1 - - 1 ) = 一= - = = = p i ， ee 装置多路或多发次的能量分散或变化情况，即能量不平衡均方根值，俗称能量 分散度( e n e r g ys p r e a d ) 嘲n 1 ： 屿。= 其中，n 为统计次数，可根据实际情况取值。 ( 1 2 ) 。管墨一二 1 2 2 功率不平衡度 ；* ， 功率不平衡度是用于描述包括相同发次束间或不同发次间的功率起伏。功 率平衡的指标是由靶物理决定的嘲：在给定的时间间隔内，功率不平衡的r m s 值应控制在一个范围内，保证内爆过程的对称性。根据不同的靶物理要求和脉 冲波形宽度，计算功率平衡的时间间隔都不一样。 若激光装置多路或多发次输出的一组脉冲某时刻的功率为( p i o ) ，。0 ( ，) ) ， 该时刻输出的平均功率或功率期望值为p o ( t ) ，则这组激光脉冲的任意时刻功率 差异( p o w e ri m b a l a n c e ) “”为： 竺堕：上* f e ( u ) - p o ( u ) d u ( 卜3 ) p o ( t ) 2 ，二 c o ( u ) 。 式中，为计算功率差异的时间间隔，针对不同的脉冲时间波形，取值不同。 装置多路或多发次的功率分散或变化情况，功率不平衡均方根值即功率不 平衡度( r m sp o w e ri m b a l a n c e ) 为： 蝎“= ( 1 4 ) 四3 1 i 大掣h 曩士掌位论文 1 3 国内外激光装置功率平衡研究进展 不同的激光装置，往往具有不同的放大器构型，而不同的放大器构型会导 致功率平衡控制难度和方法不一样。 目前，用于惯性约束聚变的激光驱动器按放大器构型不同大致可以分成两 种。第一种是采用主振荡器功率放大器结构( 又称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，技术上比较成熟。如美国的“诺瓦”( n o v a ) 装置和“欧米伽”( o m e g a ) 装置，日本大阪大学的“激光1 2 ”( g e k k o - x i i ) 等， m o p a 结构的优点是能进行分级安装、调试，结构简单，易于调整，能较好地控 制脉冲波形、有利于各路激光束之间的能量和功率平衡。第二种是主放大级采 用了多段组合阵列式放大器构型和多程放大技术。这种构型的装置如美国的n i f 装置，我国的神光- i i 和神光- i i i 装置。多程放大结构的优点是提高了系统的 能量转换效率，降低了建造费用，但是由于采用阵列式结构，放大器很难实现 单路增益调整，控制各路激光束之间的功率平衡难度较高。 下面分别介绍国内外两种构型的一些典型装置控制能量和功率平衡的方 法，以及已达到的技术指标。 1 3 1m o p a 构型激光驱动器的功率平衡 1 3 1 1n o v a 装置“1 m “ 美国n o v a 装置( 1 0 路，3 国，能量输出约4 0 k j ) 自1 9 8 4 年建成后，就一 直进行功率平衡研究，通过几年的努力，n o v a 常规运行的精密化水平和最佳的 功率平衡状态已很接近，得到了3 c o ，4 0 k j 的输出能量。当系统输出为5 n s 的 平顶脉冲波形时，。脚”脉冲功率不平衡r m s 优于1 0 ，波峰脉冲功率不平衡r m s 好于5 。 图卜2 为n o v a 装置功率平衡控制示意图。图中圈中的位置为功率平衡各控 制点。为达到3 c o 输出的功率平衡要求，n o v a 装置各子放大链发次间的增益起 伏瑚s 值控制在2 ，预放输出注入能量的诊断系统能够测量1 0 m j 到l o j 范围 的能量，且测量精度为2 。另外，通过调节各子柬延迟光路的光程实现脉冲时 4 问同步，同步误差小于l o p s 。 具体功率平衡控制思路为： 1 ) 在输出通量比较小的时候，束间增益饱和特性差异不明显，可以通过调 节输入可变光阑通过口径的大小，从而产生特定的输出光束面积来补偿频率转 换效率差异，这样可以达到功率平衡。 2 ) 在激光输出通量较高的时候，由于最后一台放大器是高度饱和的，在最 后一级放大过程中的增益和透过率的差异将会引起高能量的脉冲波形严重畸 变。首先调整末级片放大器部分的增益分布来补偿高通量输出时的增益饱和差 异( n o v a 调整最后一个放大平台增益的方法是通过调整泵浦电压或是调整闪光 灯相对各光脉冲的泵浦时间) ；其次利用半波片调节输入能量来补偿增益差异。 实现基频功率平衡：最后利用输入光阑调节光束面积补偿三倍频转换效率差异。 图1 2n o v a 功率平衡示意图 1 3 i 2o m e g a 升级装置哪” 1 9 9 6 年，o l n e g a 升级装置( 6 0 路，l n s ，4 5 k j ，3uo ，0 3 5l im ) 建成并投 入运行，该装置是目前世界上最优良的高功率钕玻璃激光装置，具有与精密n o v a 大致相当的输出能力，最短脉冲可达5 0 0 p s 嘲。到2 0 0 0 年，o m e g a 的3 。输出 能量不平衡r i l l s 小于4 ，基频光输出能量不平衡r m s 小于1 ，对于l n s 超高斯 脉冲，功率不平衡r m s 做到了小于6 。 ：。 。 四j 大掌硕士掌位论文 o m e g a 升级装置的各子链排币如图1 3 所示，共包括四级棒状放大器( a - - d ) 和两级片状放大器( e 、f ) 。 o m e g a 功率平衡的控制思路：调整各级分光比，实现每路输出能量平衡， 通过d 放大器的电源调节单元电压，从而补偿各子链的储能差异，实现各路增 益控制，实现每路输出波形一致。 1 3 1 3g e k k o - x i i 装置o ”“” 图1 3o m e g a 多光路排布 日本大阪大学激光工程研究所( i l e ) 1 9 8 3 年完成了目前的g e k k o 激光系 统。文献 1 6 报道了新g e k k o - x i i 可以达到能量平衡优于2 9 6 ，脉冲前后沿和波 峰处的功率平衡1 0 、波峰处4 。 新g e k k o - x i i 控制功率平衡的基本思路；控制各级棒放和片状放大器的增 益，使每路具有相同的增益饱和能力，使基频光输出波形一致，然后在调节可 变衰减器( y a m ) 实现基频光输出能量平衡，最后调节可变光阑( v a p ) 补偿靶 场到靶点光学系统的损耗。 功率平衡控制方案的显著特点是，在各子链增益特性调整一致的前提下， 通过v a m 控制输出的能量平衡达到功率平衡。 6 鲫c o n t r o l 图1 4 新g e k k o - x ii 功率平衡控制示意图 1 3 1 4m o p a 构型功率平衡控制特点 通过对国外三种典型m o p a 构型的激光装置功率平衡控制的介绍，可以总结 出，m o p a 构型激光装置控制功率平衡的主要手段为： i ) 调整各子束的注入能量( 实现每路输出能量平衡) 2 ) 调整各子束的放大增益能力( 实现放大输出波形一致) 3 ) - - 调整各子束的注入光束口径( 补偿倍频转换效率差异) 。 1 3 2 组合式多程放大激光驱动器的功率平衡 i 3 2 1 我国神光一i i 装置的功率平衡m l n ” 神光一是一个8 路激光装置，基频光输出为( 4 8 6 ) k j 能量，脉宽为 i n s ；三倍频光( 0 3 5 i i m ) 输出能量约为3 k j 2 0 0 0 年，神光一装置正式运行。 2 0 0 2 年，该装置双程放大器中加入可变衰减器后，其中8 路的功率平衡到达了 较高的精度，前沿功率不平衡r m s1 0 ，峰值功率不平衡r m s5 ，能量不平衡 r i l l s5 。 神光一功率平衡控制示意图如图1 5 所示。神光一”激光装置把a v m 放在主放大器双程光路之问以解决组合式放大器中单路放大器增益控制的难 题。 装置的基本控制思路是：通过在8 个子链的入口处的巾4 5 m m 石英半波片衰 减器，控制子束之间的入射能量分光比；分别控制由4 0 、由7 0 棒放的泵浦电压， 并在各子链的双程放大光路之间插入变角度反射镜 v m ，独立控制每个单元放 7 四j l i 大掣q 肚掌位论文 大器的增益，实现基频光输出功率平衡，最后调整口丁变光阑，进行三倍频功率 平衡控制。 图1 5 神光一i i 功率平衡控制示意图 1 3 2 2n i f 装置功率平衡n 町 国家点火装置( n i f ) 是l l n l 正在建造的巨型高功率固体激光装置，该装 置有1 9 2 路光束。单路激光的示意图如图1 6 所示。主振荡器经分束器产生4 8 束光，分别经4 8 组p a m ( t h ep r e a m p l i f i e rm o d u l e ) 预放大，再由4 8 组p a b t s ( t h e p r e a m p l i f i e rb e a m t r a n s p o r ts y s t e m ) 分出4 4 8 束( 如图1 7 所示) ， 四束为一组( q u a d ) 由于主放大部分的一组泵浦灯同时泵浦8 束光路的放大器， 像n o v a 那样进行单路增益控制是很难实现。 n i f 在其设计和建造初期也对系统束间能量和功率平衡进行了研究，并建 立了n i f 激光系统束间能量和功率平衡评估的模型。通过模拟计算分析，n i f 输出1 8 m j ，2 0 n sh a a n 脉冲时的束问功率平衡可以做到7 8 ，而脉冲峰值处 的功率不平衡度可以做到6 。至2 0 0 3 年，相关实验报告“删表明目前一个预 放模块分出的四束光输出能量不平衡己达到了1 。 n i f 控制功率平衡的关键节点： 1 ) p a b t s 中的分光比、定时模块( 调整束问同步) 如图1 8 所示 2 ) p a m 中4 - p a s s 放大后的可控波片；如图1 9 所示。 3 ) m r 与4 8 组p a m 间的f i b e rj u m p e rl e n g t h s ( 调整组间同步) 。 8 图1 6n i f 单路示意图 图i 7 前端预放分束示意图 n i f 装置输出为1 0 n s 的平顶脉冲波形实现功率平衡主要分两步，首先一 调整束间功率平衡，通过设置p a b t s 的分光比实现组内4 束的功率平衡； 第二参，调整束间功率平衡，通过设置p a m 波片补偿组间的系统差异，实 现组间功率平衡。o t种 图1 8p a b t s 系统布局图图1 9p a n 系统布局 痧? 9 目前，n i f 装置结合各部分激光诊断数据和激光运行模型进行了组内四束 激光能量平衡，具体步骤为：根据靶场的输出要求，首先监测到各子束的工作 状态和参数：由l o p m ( 1 a s e rp e r f o r m a n c eo p e r a t i o n sm o d e l ) 计算应注入的 脉冲波形和能量，即计算出p a b t s 的分光比，p a m 衰减比值，m o r 应设置的时间 波形。 9 1 3 2 3 神光一i i i 装置埘 神光一是中国工程物理研究院正在设计建造的新一代大型高功率激光装 置，其主要设计指标为：激光束数6 0 束，三倍频紫外激光能量达6 0 k j l n s 。组 合式四程放大激光装置作为神光i n 激光装置的原型装置，现已实现8 束出光。 组合式四程放大激光装置主光路示意图如图1 1 0 所示。 图1 1 0 组合式四程放大激光装置主光路示意图 组合式四程放大激光装置控制基频光输出能量和功率平衡由前端、预放系统 和主放系统共同完成： 1 前端系统各路激光脉冲先通过时间同步调整单元精确控制时间同步关系后， 采用可编程光纤衰减器实现脉冲时间波形调整，以得到系统要求输出脉冲波形 所应注入的脉冲波形o ”。 2 由于预放系统采用一拖二模式，预放输出八束脉冲的能量平衡控制分为两个 层次，一是同一模块两束输出之间的平衡，二是不同模块输出之日j 的平衡。同 一模块输出两束之间平衡的控制主要依靠分光偏振片之前的l 2 波片来调节， 不同模块之间能量平衡控制是在固定放大器增益的前提下，通过计算机控制系 统前级的1 2 波片来控制系统静态能量从而实现系统输出能量的控制噼1 。 3 主放系统是阵列组合式结构，8 路共享同一组泵浦灯，每条光路的放大增益 不能独立控制。因此主放输出的能量平衡控制，、是根据数值计算首先得到一组 每路的注入能量分配比，联机发射后，根据每路光束实际的增益倍数，修正计 算参数，重新计算每路注入能量分配比，再次进行联机发射，最后趋近能量平 衡。1 。( 控制流程图1 1 l 所示) l o 圈1 1 1 主放系统能量平衡控制流程 1 3 2 4 组合式多程放大构型功率平衡控制特点 组合式多程放大结构特点决定了单路增益不能单独控制，泵浦灯的端口效应 还造成的每路之间增益的固有差异。不能控制单路增益就很难控制脉冲波形畸 变，因此实现多程组合式放大构型的功率平衡控制比m o p a 构型困难。通过对以 上三大装置的介绍，可以看出，此类激光装置中控制功率平衡主要是通过调整 前端注入能量和脉冲波形实现基频光输出功率平衡，通过在每束光路中加入可。 变光阑实现倍频输出功率平衡。 爹，嘶一前 矗 1 3 3 小结 通过对比国内外m o p a 和组合式多程放大构型激光驱动器的功率平衡研究： 可以看出：多程放大构型的放大级不能单独调整，因此实现多程放大构型的功 率平衡控制比m o p a 构型困难，这也是多程放大构型功率平衡指标低于m o p a 构 型控制指标的原因：组合式多程放大构型特点决定了对于基频光输出能量和功 率平衡控制任务主要放在调整前端预放系统上，因此对前端预放系统输出稳定 性要求很高；由于激光在放大级是经过多程放大的，因此系统总体的输出特性 对放大器增益和系统损耗的起伏相当敏感，保证放大器增益的一致性和均匀性 是至关重要的问题 新一代高功率固体激光装置作为组合式多程放大构型的激光装置，需要借 鉴其他各种类型装置的功率平衡控制经验，从自身特点出发，首先研究装置功 率平衡的相关问题。其中包括：装置中影响输出功率平衡的主要因素；各因素 变化与系统输出功率平衡的关系：如何有效控制各随机影响因素，并针对给定 的输出能量或功率平衡控制指标，提出各因素随机变化的合理控制指标；基频 光甚至倍频光输出能量和功率平衡的控制思路等问题，都是要实现i c f 驱动器 精密化的重要工作。 1 4 本文研究内容和目标 本论文针对我国新一代高功率固体激光驱动器的结构特点，对装置输出功 率平衡的影响源及其控制方法进行研究。根据装置的结构特点，首先分析影响 系统输出能量和功率平衡的主、次要因素，并将影响因素分为随机误差和系统 误差两大类，计算分析各因素变化与束间能量和功率平衡之间的数值关系；根 据系统功率平衡指标要求，提出各随机影响因素合理的控制指标；最后结合实 验，提出控制和补偿由系统误差引起的能量和功率不平衡的可行方法。为新一 代高功率固体激光驱动器的设计和建造提供参考依据。具体内容如下： 1 建立功率平衡分析计算模型，并开发相应计算软件，计算模型能够实现多 路激光的光传输放大计算也能实现单路多发次的随机模拟计算。 2 利用建立的功率平衡分析计算模型，分析组合式四程放大激光装置功率平衡 的影响源，将影响因素分为随机误差和系统误差两大类，并数值分析各影响 因素变化对输出功率平衡的影响。 3 针对影响束间功率平衡的随机误差，提出合理的指标分配方法。为满足系统 功率平衡总指标，计算各随机因素的控制指标值；并将指标分配方法推广， 对束间元件参数进行一致性的指标分解。 4 对影响束间功率平衡的系统误差，提出控制补偿方法。根据激光多程放大的 能量增益特性，寻找输出能量偏差和注入能量偏差之间的对应关系，提出利 用这一对应关系指导系统输出能量平衡的控制方法；另外，根据脉冲波形放 大的增益通量曲线，讨论多程放大激光系统由已知输出脉冲波形求解注入脉 冲波形可行性问题。 本文共五章，第一章概述国内外激光装置功率平衡控制方法和结果。第二章 概述激光多程放大理论，并提出实现多路和多发次激光传输放大的统计模拟方 法，建立多路激光装置功率平衡分析计算模型。第三章应用计算模型分析各主、 次要因素变化与输出能量和功率不平衡的关系。第四章提出合理分配各随机因 1 2 第一章9 t 论 素控制指标的分配方法。第五章，数值分析实现基频光输出能量和脉冲时日j 波 形一致的可行方法。 参考文献 1 王淦昌，2 1 世纪主要能源展望，核科学与工程，1 9 9 8 ，培( 2 ) ：9 7 1 0 8 2 彭翰生。张小民，范滇元等，高功率同体激光装置的发展与工程科学问题，中国i ：程科 学，2 0 0 0 ，2 ( 3 ) ，l 8 3j l i n d l d e v e l o p m e n to ft h ei n d i r e c t d r i v ea p p r o a c ht oi n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o na n dt h et a r g e tp h y s i c sb a s i sf o ri g n i t i o na n dg a i n p h y s p l a s m a s ，1 9 9 5 ， 2 ( 1 1 ) ：3 9 3 3 4 0 2 3 4 王乃彦，聚变能及其未来，北京：清华大学出版社，2 0 0 1 5 核聚变与低温等离子体一一面向2 1 世纪的挑战和对策，等离子体物理学科发展战略研究“，+ 课题组，北京：科学出版社，2 0 0 4 6 神光原垂装置概念设计报告( 内部资料) 7o g d e ns t j o n e s ，d r a l p hs p e c k ，s t e v e n - h a a n n i fp o w e rb a l a n c e 2 8 t ha a n u a l l 一4 a n o m a l o u s 毫b s o r p t i o nc o n f e r e n c e 。u c r l - j c - 1 3 0 5 8 2 一a b s ，1 9 9 8 8 中国科学院计算中心概率统计组，概率统计计算，科学出版社，1 9 7 9 9w i l l j a mr d o n a l d s o n ，r o b e r tb o n i ，r o b e r tl e ta 1 i np o w e rb a l a n c eo nt h e0 m e g a “ l a s e r ，j a n u a r y1 9 9 9s p i ev 0 1 3 6 0 9 1 0o g d e ns j o n e s ，d r a l p hs p e c k ，s t e v e nti i m i ln i fp o w e rb a l a n c e n i fl a s e r s y s t e mp e r f o r m a n c er a t i n g s s u p p l e m e n tt op r o c e e d i n g so fs p i ev o l u m e3 4 9 2t h i r d a n n u a li n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i ds t a t el a s e r sf o ra p p l i c a t i o nt oi n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o n t h en i f 饨a _ i 1 9 9 8 1 1e s t o r m ，e m c a m p b e l l ，i j h o g a na n dj d l i n d l ，n o v au p g r a d ep r o g r a m ：i g n i t i o n a n db e y o n d 。l a s e ra n dp a r t i c l eb e a m s ，1 9 9 3 ，1 1 ( 2 ) ：2 9 1 2 9 8 1 2 h l o w d e r m i l k ,e m c a m p b e l l ， e ta l ，t h en o v au p g r a d ef a c i l i t y , l a s e ra n d p a r t i c l eb e a m s ，1 9 9 3 ，1 1 ( 2 ) ：3 0 7 3 1 6 1 3j a c a i r d 。r l e r h e ，r b e h r l i c h ，e ta l ，p r e c i s i o nn o v ap o w e rb a l a n c e ，i c f q u a r t e r l yr e p o r t c ，l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o t r y ，l i v e r m o r e ，o c t o b e r - - d e c e m b e r ，1 9 9 3 ，c a ，u c r l l r 一1 0 5 8 2 1 - 9 4 - 1 。1 9 9 3 ，p p 1 0 1 7 1 3 四川大掌司e 士掌位论文 1 4t r b o e h l y 。r s c r a x t o n 。t h h i n t e r m a n ，p 九j a a n i m a g i ，e ta l 。t h eu p g r a d et o t h eo m e g al a s e rs y s t e m 。f u s i o nt e c h n o l o g y 。1 9 9 4 。2 6 ：7 2 2 7 2 9 1 5m n a k a t u s k a ，h a z e c h i ，t j i t s u n o ，e ta l ，g l a s sl a s e rs y s t e m ，g e k k o u p g r a d e f o ri c fi g n i t i o n f u s i o nt e c h n o l o g y ，1 9 9 4 。2 6 ：7 3 8 7 4 4 1 6n n i y a n f l g a m n a k a t s u k a u n i f o r m i t yp e r f o r m a n c eo fl a s e ri r r a d i a t i o no ng e k k o - 一x i i a 】i n s t p i y s c o n f s e r ，n o1 4 0 ：s b c t l 0 n4 - p p ：8 1 8 4 1 7 周华珍“神光一i i ”角变反镜功率平衡控制应用研究，硕士论文 1 8 中国科学院中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室，神光i i 精密化项目阶段 总结报告，2 0 0 0 1 90 s j o n e s ，s m p o l l a i n e ，s - h a a n 。e ta l ，s e n s i t i v i t ys t u d i e so fp o w e ri m b a l a n c e a n da s y m m e t r yf o rn i fi n d i r e c td r i v e ，u c r l l r - 1 0 5 8 2 1 9 8 4 2 0h s p e n g ，) ll lz h a n g , x f w e i