高功率钕玻璃激光放大器优化设计的研究现状与展望

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3　国家高技术863-416主题资助项目

1998-05-11收到初稿,1998-09-07修回

高功率钕玻璃激光放大器优化设计的研究现状与展望3

张　华 范滇元

(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海　201800)

摘　要 系统地分析了高功率钕玻璃激光放大器及其优化设计的研究现况和进一步发展的方向,简要报道了在钕玻璃放大器优化设计方面所取得的主要成果.

关键词 惯性约束核聚变,钕玻璃放大器,优化设计

OPTIMIZATION OF THE DESIGN OF HIGH POWER

Nd∶G LASS LASER AMPL IFIERS

Zhang Hua　Fan Dianyuan

(S hanghai Instit ute of Optics and Fine Mechanics,The Chinese Academy of Sciences,S hanghai　201800)

Abstract The development of high power solid state lasers and the optimized design of Nd∶glass amplifiers are described.Our own successes in the optimized design of Nd∶glass amplifiers are reported.

K ey w ords inertial confinement fusion,Nd∶glass amplifier,optimized design

1　引言

惯性约束核聚变(ICF)激光驱动器的发展在很大程度上代表了目前高功率固体激光技术发展的最高成就.在ICF开展以来的20多年内,世界各国不断提出新的发展计划,探索新的技术途径,使ICF激光驱动器的研究蓬勃发展,现在已经建成了输出能量达100kJ的高功率激光装置.在高功率固体激光的发展过程中又不断开拓新的物理领域,如X射线激光、强场物理等,取得了一系列令人瞩目的成就.

惯性约束核聚变的研究和发展对激光驱动器的要求越来越高,主要表现在两方面:首先是规模巨大,因而要尽可能降低造价;其次是精密程度日益提高,要求激光系统具有高度的稳定性、可重复性和多路光束性能的一致性,从而对激光系统的设计提出了十分严格的要求,每一种类型的器件都需要进行最佳化设计.

本文将从高功率钕玻璃激光器及其优化设计的发展现况、我们在钕玻璃放大器优化设计方面所取得的主要成果和钕玻璃固体激光器进

一步发展的方向等3个方面,对高功率钕玻璃激光放大器的发展现况进行系统分析.

2　高功率固体激光系统的发展概况

美国国家点火装置(N IF)计划的实施标志着高功率钕玻璃固体激光驱动器一个新的研究高潮的到来.在此之前,世界上开展ICF研究的国家纷纷建造新的大型激光装置和对现有的装置进行升级改造,使激光器输出能量和功率水平幅度提高.表1列出了目前已建成或正在建设的大型钕玻璃固体激光装置,其中以美国LLNL实验室的精密NOVA装置和国家点火装置最具代表性.

表1　世界各国钕玻璃激光驱动器的发展计划激光装置和计划研究机构输出能量

国家点火装置美国利弗莫尔实验室118MJ

法国点火装置法国里梅尔实验室118MJ

诺瓦装置美国利弗莫尔实验室100kJ

精密诺瓦装置美国利弗莫尔实验室100kJ

激光-Ⅻ装置日本大阪大学10kJ

激光-Ⅻ升级装置日本大阪大学1—2MJ

欧米加升级装置美国罗切斯特大学30kJ

神光Ⅱ装置中国联合实验室418kJ

神光Ⅲ装置中国工程物理研究院180kJ

ISKRA-6俄罗斯实验物理研究所300kJ

211　N OVA、精密N OVA和国家点火装置NOVA装置是目前世界上运行的最大的激光系统,于1985年建成并投入运行.在此之后,又不断进行升级改造.NOVA装置分成10路光束,能提供给靶场80—120kJ(3ns)的能量或80—120TW的功率(100ps).其设计思想为:尽可能增大输出光束孔径,每束光具有尽可能大的能量,采用自动光束校准和测试系统,这样能减少系统工程造价,同时能广泛应用于物理实验、ICF和其他物理应用.

为满足物理实验的需要,1990年美国确定了在已有NOVA装置上升级的最终目标:以350nm波长及3ns脉宽工作时,总输出能量为1—2MJ,共分为288条光束.为了使如此众多的光束合理地分布,他们采用了简单、紧凑且具有高性能价格比的列阵片状放大器.主放大器的口径为35cm,采用4×4多列阵布局.还采用了以下一系列新技术:带开关的四程主放大器,提高了储能利用率;空间滤波器的像传递技术;利用大口径等离子体电极开关和大口径偏振膜,提取腔内强激光脉冲;焦点每次在空间滤波器的焦平面上处于不同的位置,可以避免小孔产生的等离子体影响后序光束的通过.

美国利弗莫尔国家实验室继NOVA装置之后,针对靶物理实验的需要,又提出了精密NOVA计划.精密NOVA在功率平衡方面的要求促进了激光诊断技术、多路激光同步技术、高压泵浦能源稳定性技术、增益饱和控制和谐波转换效率控制技术的发展,光束指向稳定性也对自动瞄靶技术提出了更高的要求.

总体造价达18亿美元的美国“国家点火计划”(N IF)代表了目前高功率固体激光器发展的最新趋势.为获得118MJ,500TW,350nm的激光输出,总共采用192路激光,其中单路激光驱动器的口径达46cm×81cm(净口径40cm×40cm).输出激光能量10kJ.各种大口径的光学玻璃需要7518片,每块光学玻璃的加工要求极高.在总体上仍采用与NOVA升级装置相似的技术路线.

212　OMEG A升级装置

OM EG A升级装置是罗切斯特大学在原OM EG A装置基础上改进的.与NOVA升级装置“间接驱动为主,直接驱动为辅”的方针不同, OM EG A升级装置一直以直接驱动作为其激光器发展的主方向.OM EG A升级装置曾考虑采用15组的多列阵放大器,每组4束.但为了使15组光束达到直接驱动要求的功率平衡极为困难,所以现在采用2个5×6列阵布局.由于组合式放大器具有较高的增益,使用单通放大方式就可获得较高的抽取效率.输出能量为30kJ.为了减小泵浦腔的容积(这意味着提高了泵浦腔的转换效率),而又不影响两边片状放大器的能量条件,氙灯采用NOVA装置的横向排列,冷却采用Chroma系统的水冷方式.