有源反射镜式片状Nd∶LuAG增益介质热分析

对大口径有源反射镜式片状Nd∶LuAG陶瓷激光增益介质在高功率激光二极管(LD)抽运条件下的热效应及其引入的波前畸变进行了分析。片状Nd∶LuAG陶瓷尺寸为64mm×6mm,抽运峰值功率为58.5kW,抽运光斑大小为32mm×35mm,在激光光束的入射角度为15°时对有源反射镜式片状Nd∶LuAG增益介质的热效应和波前畸变进行仿真分析。仿真结果显示在抽运状态时片状Nd∶LuAG陶瓷的最高温度为55.6℃;水平方向和垂直方向引入的负焦距分别为F_H=-65.78m和F_V=-77.28m。模拟放大后激光波前畸变峰谷值为4.33λ(激光波长λ为1064nm),波前畸变主要为离焦量导致的像散。在此基础上搭建了相应的实验装置,测得抽运状态下Nd∶LuAG陶瓷的温度分布及引入的激光光束波前畸变。模拟分析数据与实验数据相吻合。模拟计算和实验分析结果为片状Nd∶LuAG陶瓷激光放大系统抽运均匀性的优化及激光光束质量的控制等提供了重要的参考依据。     

双脉冲双向传输放大构型波前特性

双脉冲双向传输放大构型可对两束激光脉冲沿主放大器空间对称的两个方向同时进行传输放大,有效增加了放大器的储能提取率,在惯性约束聚变激光驱动器领域具有很大的应用价值。通过建立等效光路,推导了两束激光脉冲在传输放大时波前畸变的叠加过程,并对神光-Ⅲ主机装置中的实测数据进行了数值模拟。结果表明,双向传输放大构型下两束激光脉冲的波前面形存在一定差异,波前像差集中在低频段,且三、四程放大时空间滤波器小孔处的激光脉冲和输出激光脉冲的波前畸变较大。为保证输出光束质量和光束通过空间滤波器小孔,必须对主放大器内的波前像差进行补偿控制。这些结论将为双脉冲双向传输放大构型的波前控制方案的设计提供理论指导。     

高功率激光束光束质量的数值评价方法

为估计１０＾１２Ｗ高功率激光器的光束质量，本文采用最小二乘法对已重构的波前曲面进行球面拟合，得到相对应的无波像差参考波前。利用无波像差参考波前的曲率半径计算出高功率激光光束的衍射角，由有畸变波前与无波像差参考波前的波像差估算出激光束的Ｓｔｒｅｒｈｌ比，从而给出了评价高功率激光系统光束质量的定量结果。     

一维光束整形系统仿真及实验技术研究

针对高功率板条激光放大系统光束整形的需要,基于CODE V软件对一维光束整形系统进行仿真,光束整形方向输出光光学传递函数接近衍射极限。光束整形方向视场0.5 mrad时,引入波像差为0.105λ。利用四波剪切干涉仪测量He-Ne光以及光纤种子光整形后波前,P-V值变化小于0.25λ,RMS变化小于0.05λ。     

单通激光片状放大器的模拟计算分析

介绍了高功率固体激光驱动器中单通片状放大器 (SSA)的模拟和实验研究结果。对放大器能量传输的各环节进行全系统模拟 ,在能源系统优化的前提下 ,对不同抽运条件和不同抽运腔构型放大器的增益特性进行实验研究 ,2 2kV工作电压下 ,获得了 4 9%cm-1的小信号增益系数和 2 4 3%的储能效率。同时还分析了放大器的抽运热畸变及波前变化 ,实验测量了由抽运引起的腔内洁净度变化情况。     

高功率固体激光驱动器光传输程序研究

开展了高功率固体激光驱动器计算机模拟方面的研究,开发了一套光传输综合模拟计算软件.该软件的研究和开发,是针对固体激光驱动器多程放大过程及非线性传输问题开展的研究工作.系统地研究了高功率脉冲激光在多程放大系统中的非线性传输过程,建立了脉冲激光的能量放大、线性传输和非线性自聚焦效应等物理模型,建立了相应的算法.软件能对任意一种多程放大构型进行模拟,同时给出各个关键位置的激光束空间、时间的强度分布和位相分布.本文还介绍了程序设计技术方案、软件实施方案,以及软件的主要功能.模拟计算软件使用方向控制器来模拟四程中的光束反转器控制光束的方向,实现了标准模块化. 该模拟计算软件与国际上的同类产品如俄罗斯的光束传输程序FRESNEL 2.5、美国LLNL的能流分布软件CHAINOP进行了比对,计算结果基本吻合,功能上有所扩展.(OC5)     

新型非平面多程激光放大器的理论研究

提出了一种基于双镜环行光路的新型非平面多程激光放大器,它具有结构简单、体积小、空间对称性好、调节容易、光通放大次数多的优点。信号光束在放大器腔内沿着立体环行的非平面空间对称路径多次通过激光介质被放大,可在小型激光介质中获得高功率的放大激光输出。对放大器腔内光路进行了理论建模和参量分析,给出了部分光路模式的模拟图,分析了光路损耗与功率放大;初步设计了基于Yb:YAG薄片和激光二极管(LD)端面抽运的全固态非平面多程薄片激光放大器,适用于高功率激光放大。     

哈特曼-夏克波前探测器对传导冷却端面抽运板条激光放大器的波前畸变测试

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量、高功率的激光输出,限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和传导冷却端面抽运板条激光器的优势为切入点,利用哈特曼-夏克(H-S)波前探测器进行一系列的波前畸变测试。通过对静态波前畸变量、输出功率百瓦量级时的波前畸变量和输出功率千瓦量级的波前畸变量等结果进行数据分析,对实验进行反馈,提出改进意见,以期望进一步减少传导冷却端面抽运板条激光放大器的热效应。     

SGⅡ-5 PW激光系统大能量光参量放大器光束近场分布均匀性

为了提高神光Ⅱ 5PW(SGII-5PW)超短脉冲激光系统的运行安全性,针对大能量光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)光束近场分布均匀性问题,从理论上进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析。在1PW级放大器模拟中,以预放大器以及神光Ⅱ大能量抽运脉冲的测量数据为基础,利用参量耦合波方程组数值模拟方法,得到了近场填充因子与光通量对比度在光参量放大过程中的演变,并结合转换效率与输出稳定性进行讨论,得到了对应于高光束质量、高转换效率与高稳定性的非线性晶体长度优化范围,结果还表明抽运光对放大后光束均匀性影响较大,进一步提升神光Ⅱ第7路光束质量是大幅提升第2级OPCPA(OPCPA-Ⅱ)光束均匀性的切实途径。     

4×2×3片状放大器光束动态波前畸变实验研究

利用高空间分辨率的哈特曼波前传感器实验研究了新型阵列式大口径片状放大器的光束波前畸变特性。哈特曼波前传感器的微透镜阵列数为 3 2× 3 2 ,放大器的通光口径为 2 9cm× 2 9cm。在充电电压为 2 0kV、泵浦能密度为 7.2 8J/cm3的条件下 ,得到了放大器端部模块全口径范围内光束波前双程畸变量为 :P -V值为 1.613λ ,RMS值为 0 .3 99λ(λ=1.0 5 3 μm) ,并对实验结果进行了分析和讨论。     

相位共轭技术在补偿高功率激光器动态波前像差中的应用

对于高功率激光器光束畸变的实际问题,目前提出的有些方法只能对像差进行有效的补偿,却不能补偿自相位调制所引起的畸变.针对激光谐振腔的失调问题进行简单理论分析及编写数值程序进行计算,提出相位共轭法能够对上述两种畸变进行有效的补偿,进一步针对实际采用相位共轭补偿技术的高功率Nd:YAG MOPA激光器的典型实验来进行分析,采用波前像差的PV值和RMS值的结果作为系统分析参数,得出相位共轭技术能有效地改善高功率激光器光束输出质量.     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

光纤技术在光路自动准直中的应用

光路自动准直系统用于惯性约束聚变的高功率激光装置的光束精密自动准直调整.针对神光Ⅲ原型装置四程放大光路对自动准直系统的调整时间和调整精度的要求,考虑到光路总体结构的要求,利用光纤像传递和光纤耦合技术,结合近场远场像传递原理,使用插入式光纤点光源实现了后腔镜的准直调整,充分考虑了四程放大的光路像传递特点,设计出一套优化合理的四程放大准直方案,并且在神光Ⅲ原型装置模拟实验平台上得到了充分的验证和考核.实验结果表明光路自动准直系统能够在15 min之内顺利完成系统的光路调整,光束近场调整精度优于近场光斑的±0.5%,光束远场调整精度≤±0.3",满足了原型装置总体的要求.     

单口径片状放大器光束波前畸变热恢复研究

给出了在单口径片状放大器 (SSA)实验平台上利用哈特曼波前传感器进行热恢复研究的实验结果。结果表明 ,三片长的SSA双程最大热波前畸变约为 1 1λ峰谷 (P V)和 0 .13λ均方根梯度 (RMS) (λ =6 32 8nm)。实验结果与模拟计算结果进行了相互校核 ,两者符合得较好。     

10kW级固体板条激光放大器设计与实验研究

针对传导冷却和端面抽运的激光增益模块特点,设计了一台10kW级高功率全固态板条激光放大器实验装置。分析了激光注入功率密度和入射角度等参数对激光放大器提取效率的影响。实验测试了注入功率密度与激光增益模块光-光转换效率的关系,实验结果与理论分析基本吻合。激光放大器实验装置的种子源通过一级预放大器和两级主放大器放大后获得了高功率和高光束质量的激光输出,激光放大器输出功率达为11.3kW,光束质量7.56倍衍射极限,出光时间110s,光-光转换效率达30%。     

高重复率半导体激光抽运Nd∶YAG放大器激光特性的实验研究

实验研究了高重复率、大功率半导体激光二极管阵列(LDA)侧面环绕抽运的Nd∶YAG激光放大器的放大特性、热焦距变化和热致双折射效应引起的退偏特性。偏振光经千赫兹高功率单通激光放大器,获得约3倍的光脉冲能量放大,脉冲宽度基本保持不变,其输出的P分量与S分量的能量比趋于常数3∶1,实验测得的能量放大倍率及放大光束的椭圆偏振度与理论预期吻合很好。     

我国首次建立高功率激光四程放大实验研究

据悉。由景峰领导的研究小组首次在国内建立了高功率激光四程放大实验研究平台,使我国成为继美、法之后第3个掌握激光聚变驱动器关键技术——四程放大技术的国家。这一技术已应用于“神光III”原形装置,将成为“十一五”期间激光聚变研究的主力驱动器。这项技术使我国有望在未来几十年内建立一座核聚变发电站。     

拍瓦级激光系统前端波前热畸变和晶体动态热透镜效应的测量

为了有效改善飞秒拍瓦激光系统的输出波前质量,研究了10Hz前端激光脉冲的波前随泵浦能量的变化特性.结果表明:由于增益介质的热效应,放大光束的斯特尔率(Strehl ratio)随泵浦能量的增加而下降,这说明光束的聚焦性能发生改变.利用波前展开的Zernike系数,进一步分析研究发现,由于热透镜效应,经多通放大的激光脉冲波前不仅离焦量发生了变化,像散量也发生了变化.离焦量和像散畸变是光束经过多程放大后畸变变化的两个主要分量,要改善波前必须予以补偿.在此基础上,用He-Ne光作为探测光,测量了实验装置中的钛宝石在不同泵浦能量下的热焦距,与基于钛宝石晶体参数计算出的理论值符合较好.     

高重复率半导体激光抽运Nd:YAG放大器激光特性的实验研究

实验研究了高重复率、大功率半导体激光二极管阵列（LDA）侧面环绕抽运的Nd：YAG激光放大器的放大特性、热焦距变化和热致双折射效应引起的退偏特性。偏振光绎千赫兹高功率单通激光放大器，获得约3倍的光脉冲能量放大，脉冲宽度基本保持不变，其输出的P分量与S分量的能量比趋于常数3：1，实验测得的能量放大倍率及放大光束的椭圆偏振度与理论预期吻合很好。     

神光Ⅱ各级放大器小信号增益的在线测量

神光Ⅱ装置精密化功率平衡要求8路子光束的输出能量平衡和脉冲波形一致，即每条放大链的增益和透过率相同。但装置因日常打靶工作需要，8路子光束放大链中同级放大器的增益能力差异较大。针对该问题，利用一种精度优于1％的小能量测量系统，对神光Ⅱ装置8路四级放大器的小信号增益进行在线测量，分别得到了40，70棒状放大器，100片状放大器和200双层片状放大器在正常工作电压下的小信号增益值，掌握了每路各级放大器的增益特性，精确量化了各路同级放大器的差异，为神光Ⅱ精密化功率平衡调试提供了宝贵的实验数据。