高功率片状激光放大器中ASE特性的研究.pdfVIP

高功率片状激光放大器中ASE特性研究 贺少勃於海武郑万国陈远斌刘勇唐晓东 (激光聚变研究中心四JII绵阳919．988信箱621900) 摘要本文采用理论模拟方法，研究r高功率激光片状放人器中的自发辐射放人特性。建 立-了一套较完整的包含空间和时间的三维ASE模型，分析丁小同电压、不同储能分布和不同泵 浦时刻、一i同增益长度积条件下ASE效应对放大器储能效率和小信号增益系数的影响。根据稿‘ 4×2×3组合式放大器E的计算结果表明：22kV的泉浦电胜下，ASE效应造成的小信号增益系 44％。 数损耗为1662％．增益小均匀性为7 关健词钕玻璃片状放大器自发辐射放人储能效率 一、引 言 随着惯性约束聚变研究的发展，为降低光学元件负载破坏、提高装置效率，放大器口 径和增益也需要尽可能大，目前主放大器系统多采用大口径片状钕玻璃作为增益介质，这 样就会带来严重的自发辐射放火(AmplifiedSpontaneous 仅降低激光介质的储能效率，而且会对增益均匀性产生严重影响。所以，如何在高增益和 低ASE效应之间找到平衡，对放火器的优化设计和提高驱动器运行质量都具有重要意义。 美国LLNL实验室首先对片状放大器内的自发辐射放大进行了计算…。国内文献报道 了对椭圆片和矩形片的模拟研究结果‘2,31。例如。文献【2】参考了LLNL的研究方法，采_}}j光 线追迹和蒙特卡罗方法，在国内首次计算了包边吸收的ASE能量在边界上沿周边的分布。 本文采用理论模拟方法，研究了高功率激光片状放大器中ASE的物理机制和影响。 二、ASE模型 根据四能级激光介质的速率方程{”，可以确定单片钕玻璃中不含ASE效应的储能密度 分布E，(x，Y，：，t)与泵浦功率密度P。(x，y，z，r)之间的关系 堡!!丛塑：一型型：业+只．∽y盔f) (1) 。 dt t us，我们可以详细模拟从 式中r为钕离子上能级荧光寿命，对N3】玻璃取其值为320 氙灯放电到腔传输的物理过程，得到泵浦速率巳(w^，)随时间和空间位置变化情况p1。也就 是说在得到泵浦速率后，就能真接求解‘1)式，得到无ASE效应时的钕玻璃片内储能密 度分布。 (2) E-(x，y，：，H+1)=(疋r(x，Y，：，月)+0(x，弘z，t)An)exp(一aqr) (泵浦前：E(x，y，：，0)=0) 对钕玻璃片进行空间网格划分，在泵浦足够强的情况下，自发辐射光线随机地从某网 格内以随机的角度辐射，光线在经过另一体积元时，若该单元的储能密度足够高t则自发 辐射被放大，光线的能量变为： ．．343—· E。c^y，z，一+·，ex一{[-!兰—：!!—；；!二兰±旦一a。，]z} (3) 式中，口为钕玻璃的受激发射截面，如果考虑光谱分布情况，则口应为波长的函数，根据 实际情况，在精度允许的情况下，用有效受激发射截面口。代替，口。。为损耗系数。z为光 线经过体积单元的路径长度。 假定在某一时刻，从放大器某个网格中产生了一条白发辐射光线，在储能密度足够高 时会产生增益，这条光线被放大以后，随机向不同方向传播，然后，进行光线追迹，追迹 过程首先从选择光线与下一个小网格边界的交点开始，当到达钕玻璃片通光方向上的两个 面时，会发生透反射；当到达有包边的四个面时，由于有吸收层，认为光线没有反射(包边 剩余反射率0．01％)。这样就为光线设置两个截止条什：(1)光线能量低丁二初始出发时的能 量90％。(2)光线到达包边时。