大口徑N41型激光釹玻璃的小信號增益

溫 磊,陳 林,陳 偉,胡麗麗,吳誼群

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;2.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高功率激光單元技術(shù)研發(fā)中心，上海 201815;3.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900;4.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高密度光存儲技術(shù)實驗室，上海 201800)

大口徑N41型激光釹玻璃的小信號增益

溫 磊1,2,陳 林3*,陳 偉2,胡麗麗2,吳誼群4

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;2.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高功率激光單元技術(shù)研發(fā)中心，上海 201815;3.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900;4.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高密度光存儲技術(shù)實驗室，上海 201800)

比較了國內(nèi)外高功率激光釹玻璃的主要性質(zhì)及發(fā)展?fàn)顟B(tài)，重點(diǎn)分析了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所近年來研制的大口徑N41型激光釹玻璃的物理性能及其在400 mm口徑片狀放大器系統(tǒng)中的增益特性。利用優(yōu)化片狀放大器技術(shù)方案，測定了N41釹玻璃與N31～42釹玻璃的小信號凈增益系數(shù)和大口徑增益均勻性。實驗顯示，在相同測試條件下，N41型釹玻璃的某些關(guān)鍵性能參數(shù)優(yōu)于N31型釹玻璃；在相同抽運(yùn)條件下，N41釹玻璃和N31釹玻璃的平均小信號凈增益系數(shù)分別達(dá)到5.3%和5.16%，遠(yuǎn)優(yōu)于神光-Ⅲ主機(jī)N31～35釹玻璃的在線測試結(jié)果；385 mm口徑內(nèi)N41釹玻璃增益均勻性為1.085∶1，N41釹玻璃的包邊性能滿足裝置使用要求。結(jié)果表明：新型N41釹玻璃的增益性能較N31釹玻璃有了顯著提升，在放大器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件下，可滿足下一代ICF激光驅(qū)動系統(tǒng)的需求。

激光聚變；激光材料；N41釹玻璃；增益性能；小信號增益系數(shù)

1 引 言

目前用于慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion, ICF)研究的激光驅(qū)動器，如美國國家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility,NIF)、法國兆焦耳裝置(Laser MegaJoule,LMJ)與中國的神光-Ⅱ、神光-Ⅲ裝置等，均采用了以大口徑釹玻璃為增益介質(zhì)的放大器系統(tǒng)，該系統(tǒng)是裝置的重要組成部分[1-2]。與神光系列裝置采用的N31-35型大口徑激光釹玻璃相比，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡稱“上海光機(jī)所”)N41型大口徑激光釹玻璃片有以下兩個方面的特點(diǎn)：一是激光物理參數(shù)更加優(yōu)良，包括受激發(fā)射截面、熒光壽命、1 053 nm線性折射率等，有利于系統(tǒng)的高增益輸出；二是低非線性折射率系數(shù)(n2)，有利于控制裝置的非線性效應(yīng)，實現(xiàn)大能量高功率輸出。

本文主要研究了利用單坩堝熔煉工藝制備的大口徑N41型激光釹玻璃的激光物理性能及其在400 mm口徑4×2組合式片狀放大器系統(tǒng)中的增益性能，并在相同的測試條件下測試了N31-42型激光釹玻璃的增益性能，最后將二者的增益性能與神光-Ⅲ主機(jī)使用的N31-35釹玻璃的增益性能進(jìn)行了比較。

2 國內(nèi)外大口徑激光釹玻璃簡介

美國NIF裝置和法國LMJ裝置中均采用了SCHOTT公司LG-770和HOYA公司LHG-8兩種磷酸鹽釹玻璃。我國的神光-Ⅱ和最近建成的神光-Ⅲ主機(jī)裝置均采用N31型磷酸鹽釹玻璃，與NIF裝置使用的兩種釹玻璃相比，其主要差異在于釹離子摻雜濃度、熒光壽命、受激發(fā)射截面和非線性折射率系數(shù)等性能，主要參數(shù)對比如表1所示。綜合抽運(yùn)條件的差異，導(dǎo)致我國神光-Ⅲ主機(jī)裝置與美國NIF裝置在片狀放大器系統(tǒng)通光口徑相同、結(jié)構(gòu)類似的情況下輸出的小信號增益系數(shù)相差15%左右[3-7]，如表2所示。

表1 幾種釹玻璃的主要參數(shù)對比抽運(yùn)[8]Tab.1 Properties comparison among different neodymium glasses

表2 國內(nèi)外400 mm口徑4×2組合式片狀放大器的性能對比Tab.2 Properties comparison of 4×2 configuration slab amplifier between NIF and SG-Ⅲ

為了提高裝置的輸出能量與功率，傳統(tǒng)策略通過增加釹玻璃片數(shù)來增加總增益長度，從而提高系統(tǒng)的總增益能力；但在深度飽和的條件下，增加總增益長度將帶來嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，功率受限嚴(yán)重制約著主放大系統(tǒng)的輸出峰值功率。因此首先從增益材料的角度出發(fā)，如何能提高片狀放大器的小信號增益系數(shù)與增益能力，同時降低整個系統(tǒng)的非線性效應(yīng)，是工程總體設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題。

提高片狀放大器系統(tǒng)的增益能力應(yīng)首先從改進(jìn)增益材料——釹玻璃的激光物理性能出發(fā)。為了滿足高功率激光裝置對增益介質(zhì)材料輸出能力的要求，上海光機(jī)所近年來研發(fā)了N41型磷酸鹽釹玻璃，以獲得更高的受激發(fā)射截面和更低的非線性折射率系數(shù)。N41釹玻璃與其他幾種釹玻璃的參數(shù)比較如表1所示。

3 實驗方案

實驗采用的釹玻璃尺寸為810 mm×460 mm×40 mm，與主激光方向呈布儒斯特角放置，可提供400 mm×400 mm的正方形通光口徑，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。氙燈排布于釹玻璃片兩側(cè)，氙燈與釹玻璃片之間利用隔板玻璃進(jìn)行隔斷，除防止燈箱片箱之間相互污染外，還可避免氙燈產(chǎn)生的聲波傳輸進(jìn)光路中引起波前畸變，并在燈箱與片箱中分別形成冷卻氣體的通道。同時為提高抽運(yùn)光的傳輸效率，隔板玻璃鍍有化學(xué)膜層，對氙燈光的平均透過率大于94%；氙燈反射器采用鍍銀反射器，對氙燈光的平均反射率大于92%。

圖1 4×2組合式片狀放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(3片長)Fig.1 Basic structure of 4×2 configuration slab amplifier

本實驗采用了與神光-Ⅲ主機(jī)、美國NIF、法國LMJ等裝置400 mm口徑片狀放大器不同的技術(shù)方案。側(cè)燈箱與中燈箱均采用更小直徑的氙燈，氙燈排布更加緊密， 從而在不增加氙燈負(fù)載的情況下增加抽運(yùn)密度，此時系統(tǒng)運(yùn)行電壓更高，抽運(yùn)脈寬更短，放大自發(fā)輻射效應(yīng)(ASE)得到抑制，能夠獲得高增益輸出，基本參數(shù)如表3所示。

表3 N41釹玻璃增益性能測試實驗的基本參數(shù)Tab.3 Experimental parameters for testing gain properties of N41 Nd∶glass

4 實驗結(jié)果

小信號增益系數(shù)利用能量卡計進(jìn)行測量，增益均勻性分布則利用CCD進(jìn)行測量，測量光路如圖2所示。利用能量卡計分別測量片狀放大器的輸入和輸出信號能量。首先測量靜態(tài)時(讓激光通過放大器而放大器氙燈不工作)放大器的輸入能量Ein1與輸出能量Eout1；然后測量氙燈光對兩個卡計的影響Einb和Eoutb，此時測量激光不通過放大器但放大器氙燈正常工作；最后測量動態(tài)時(測量激光通過放大器且放大器氙燈正常工作)放大器的輸入能量Ein2和輸出能量Eout2，則片狀放大器的總增益GD為：

(1)

那么片狀放大器的小信號增益系數(shù)β可由下式推出：

(2)

式中:n為釹玻璃材料在1 053 nm的折射率，t為釹玻璃片的總厚度。將能量卡計換為CCD相機(jī)，利用相同原理與光路即可測試增益均勻性。

圖2 增益性能測量光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of light path in gain property measurement

本實驗在相同測試條件下分別測試了N41和N31-42釹玻璃，測試片的物理參數(shù)如表4所示。在主放電電壓為31 kV的條件下測試得到，N41釹玻璃的平均小信號凈增益系數(shù)為5.3%/cm，N31-42釹玻璃的平均小信號凈增益系數(shù)為5.16%/cm。小信號凈增益系數(shù)不含動態(tài)損耗。表5列出了本實驗測試結(jié)果與神光-Ⅲ主機(jī)輸出的小信號增益系數(shù)。從表中可知，對比神光-Ⅲ主機(jī)N31-35釹玻璃的小信號凈增益系數(shù)，N41釹玻璃提高了17%，N31-42釹玻璃提高了14%；抽運(yùn)過程中釹玻璃的動態(tài)損耗約為靜態(tài)損耗的3倍，得到N41釹玻璃與N31-42釹玻璃的凈增益損耗比分別為14.7和14.9，均優(yōu)于神光-Ⅲ主機(jī)的凈增益損耗比。

表4 釹玻璃測試片的物理參數(shù)Tab.4 Parameters of Nd glass testing slabs

表5 小信號凈增益系數(shù)測試結(jié)果Tab.5 Test results of small signal net gain coefficient

利用CCD相機(jī)測試了N41釹玻璃的增益均勻性，測試口徑為385 mm×385 mm，通過多發(fā)次求平均以獲取放大器的增益分布。測試基本條件是平均小信號凈增益系數(shù)達(dá)到5.25%/cm，五發(fā)次求平均，并通過勻滑算法去除初始增益分布中的噪聲，實驗測量系統(tǒng)的增益均勻性為1.085∶1(最大值/平均值)，如圖3(a)所示。圖3(b)所示為NIF預(yù)測平均小信號增益系數(shù)為5.1%/cm時的增益分布。從圖中可以看出，本實驗獲得的增益均勻性與NIF預(yù)測水平基本相當(dāng)。

圖3 本實驗增益均勻性分布與NIF預(yù)測的結(jié)果對比Fig.3 Comparison of gain homogeneity between our results and NIF predicted results

釹玻璃包邊性能的優(yōu)劣對于釹玻璃的增益性能起著至關(guān)重要的作用，包邊剩余反射率是評判釹玻璃包邊性能最重要的指標(biāo)之一。它表示了釹玻璃內(nèi)部的雜散光到達(dá)釹玻璃與包邊玻璃界面時被包邊玻璃吸收的情況。通常裝置要求剩余反射率需低于千分之一。利用上海光機(jī)所最近研制的釹玻璃包邊剩余反射測試驗證平臺，測試了N41釹玻璃短邊的剩余反射率分布，測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，整個短邊包邊界面范圍的剩余反射率分布均在10-5量級，遠(yuǎn)優(yōu)于裝置要求，從另一個方面保證了大口徑范圍內(nèi)的高增益均勻性。

圖4 N41釹玻璃短邊包邊的剩余反射率分布Fig.4 Residual reflectivity distribution of N41 neodymium glass edge cladding

5 結(jié) 論

本文利用優(yōu)化片狀放大器技術(shù)方案，研究了N41型大口徑激光釹玻璃的綜合增益性能。實驗結(jié)果表明，N41釹玻璃的平均小信號凈增益系數(shù)為5.3%，增益損耗比為14.9，增益均勻性(最大值/平均值)為1.085∶1。激光參數(shù)性能優(yōu)于N31-42型大口徑激光釹玻璃與神光-Ⅲ主機(jī)目前使用的N31-35型大口徑激光釹玻璃?；谄瑺罘糯笃餍滦统檫\(yùn)技術(shù)，采用N41型大口徑激光釹玻璃，系統(tǒng)輸出的平均小信號凈增益系數(shù)首次超過5.25%，與美國NIF裝置的水平相當(dāng)，表明我國釹玻璃研制水平與放大器結(jié)構(gòu)優(yōu)化均邁入了一個新的階段，為后續(xù)的慣性約束聚變裝置建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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Small signal gain of glass N41 in large aperture Nd:laser

WEN Lei1,2, CHEN Lin3*, CHEN Wei2, HU Li-li2, WU Yi-qun4

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.HighPowerLaserComponentsR&DCenter,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201815,China;3.ResearchCenterofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China;4.LaboratoryforHighDensityOpticsStorage,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China) *Correspondingauthor,E-mail:linxiaoqiao@126.com

The main properties of high-power Nd∶laser glass in China and abroad and its development situations were compared. Then, the physical properties of large aperture N41 Nd∶glass developed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of the Chinese Academy of Sciences(SIOM) were analyzed and its gain characteristics in a segment amplification system with an aperture of 400 nm was investigated. An optimized technological scheme was used to measure the small-signal net-gain parameters of N41 glass and N31-42 glass and the gain homogeneity of large aperture glass under the same condition. The results indicate that the several key parameters of N41 glass are better than that of the N31 glass. Under the same pumping condition, the average small-signal net-gain parameters for N41 glass and N31 glass are 5.3% and 5.16%, respectively, much better than the online experimental result of N31-35 glass used in Shenguang-Ⅲ. Moreover, the gain homogeneity of N41 glass with an aperture of 385 mm is 1.085∶1， and its cladding glass meets the requirement of Shenguang-Ⅲ. It concludes that the gain characteristics of the N41 glass have been improved greatly as compared with that of the N31 glass. When the amplifier structure is optimized, the N41 glass can be used in the Shenguang system in the future.

laser fusion; laser material；N41 Nd:glass; gain characteristic; small-signal net-gain parameter

2016-10-18；

2016-10-26.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(No.61405215)

1004-924X(2016)12-2925-06

TN244

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2925

陳 林(1984-)，男，四川樂山人，碩士，助理研究員，2006年于國防科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2009年于中國工程物理研究院激光聚變研究中心獲得碩士學(xué)位，主要從事高功率固體激光放大性能的研究。E-mail: linxiaoqiao@126.com

溫 磊(1978-)，男，山西太原人，碩士，高級工程師，2001年于山西大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2009年于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事磷酸鹽釹玻璃激光性能方面的研究。E-mail: wenlei@siom.ac.cn