增益和熱效應(yīng)對(duì)高效能固體激光器影響分析

梁興波 呂坤鵬 楊雪 陳一豪

摘要：在進(jìn)行能量提取時(shí)，高功率固體激光裝置承擔(dān)著重要的角色，由于受到多方面因素的影響，所以，在進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)試模型構(gòu)建時(shí)還缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)。并且，國際上也缺少對(duì)主放大器增益的估計(jì)模型的具體介紹和研究?，F(xiàn)存的預(yù)算估計(jì)模型也非常的粗劣，相關(guān)研究人員借助于三圓形裝置的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了模型的一個(gè)考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，和傳統(tǒng)的單一發(fā)次的模型相比，新型的預(yù)測(cè)模型對(duì)于高功率激光裝置主放大器的增益有著很重要的發(fā)展意義。

關(guān)鍵詞：高功率激光裝置主放大器；熱效應(yīng)；增益穩(wěn)定性

引言：

研究人員借助于慣性約束聚變的研究實(shí)驗(yàn)，對(duì)于激光器進(jìn)行了多路激光脈沖的能量平衡檢測(cè)。研究的實(shí)質(zhì)就是：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)激光的能量預(yù)算和精準(zhǔn)的控制。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，就要充分了解激光裝置所有的構(gòu)造的穩(wěn)定性，尤其需要注意主放大器的輸出否定性，因?yàn)樵谶M(jìn)行固體激光裝置提取能量實(shí)驗(yàn)時(shí)，集中在主放大器的能量較多，而且也較容易受到環(huán)境的影響。所以，要對(duì)主放大器進(jìn)行一個(gè)嚴(yán)格的控制，經(jīng)過一系列的研究實(shí)驗(yàn)得出了一個(gè)結(jié)論，即一些高功率物體激光裝置在工作時(shí)，增益有低頻緩變，高頻也存在著不穩(wěn)定性，這就造成了分裂預(yù)測(cè)的偏差，還得出了高頻不穩(wěn)定性與日運(yùn)行發(fā)次有關(guān)的系統(tǒng)偏差，造成這種現(xiàn)象的因素就是上發(fā)次中殘余的熱效應(yīng)。研究人員借助于神光三圓形裝置的研究數(shù)據(jù)，構(gòu)造了權(quán)重因子這一物理名詞，并且依據(jù)權(quán)重因子和日運(yùn)行發(fā)次相關(guān)的主放能量輸出構(gòu)造了預(yù)算估計(jì)模型，還對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行了相關(guān)的考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，把傳統(tǒng)的燈發(fā)自推模型和新模型進(jìn)行對(duì)比，有效地提高了大氣的準(zhǔn)確性，對(duì)能量平衡進(jìn)行了深度優(yōu)化。

一、具體的物理模型和相關(guān)的物理參量

激光裝置主放大器的放大過程可以在方程中得到具體表現(xiàn)，輸入的脈沖在經(jīng)過激光裝置主放大器時(shí)，原子會(huì)釋放出以前所儲(chǔ)存的能量。我們借助于相關(guān)的方程，就可以進(jìn)行全部放大過程的運(yùn)算。光子密度發(fā)生變化時(shí)，可以分為兩方面內(nèi)容：發(fā)射脈沖。階段中會(huì)產(chǎn)生一些光子數(shù)。另一部分是該脈沖發(fā)射體積的光子數(shù)，經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理運(yùn)算會(huì)知道，放大器和輸出能量之間存在著密切的關(guān)系，實(shí)際激光裝置主放大器的輸出水平會(huì)受到小信號(hào)增益和飽和能量密度兩個(gè)物理參數(shù)的影響。同時(shí)，它們共同的穩(wěn)定性與激光器整體的增益穩(wěn)定性密切相關(guān)。

二、激光裝置的增益變化規(guī)律。

激光裝置增益變化發(fā)生的原因是，在F-N方程之中，有兩種因素可以造成激光裝置的增益穩(wěn)定性變化，即上文所提到的增益的飽和通量和小信號(hào)增益這兩方面因素。首先，就要對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的分析，確定出發(fā)生爭(zhēng)議變化的具體原因。主要的方法就是通過固定保合通量以及小信號(hào)增益來對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行模擬運(yùn)算，制造出一些具體的圖形來進(jìn)行分析。并且，分別比較兩方面因素對(duì)于激光裝置主放大氣的增益穩(wěn)定性的實(shí)際影響強(qiáng)度。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，小信號(hào)增益明顯要比飽和通量的影響程度大。所以得出結(jié)論是：小信號(hào)增益變化才是影響主放增益穩(wěn)定性變化的具體因素。

三、激光裝置小信號(hào)增益的變化規(guī)律

在進(jìn)行低頻擾動(dòng)時(shí)，激光裝置整體上會(huì)呈現(xiàn)一種下降的趨勢(shì)。具體原因如下：激光裝置進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致所有設(shè)備投射率降低，導(dǎo)致裝置增益穩(wěn)定性降低，而高頻擾動(dòng)的具體表現(xiàn)形式就是激光裝置主放大器增益穩(wěn)定性，受多方面因素影響，我國并沒有為此建立一個(gè)較為完善的體系。但是，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中會(huì)發(fā)現(xiàn)，前發(fā)次應(yīng)累計(jì)熱效應(yīng)導(dǎo)致整體的系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的透射率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)增益穩(wěn)定性下降。還是借用于上文所提到的神光三圓形裝置實(shí)驗(yàn)，研究者對(duì)于運(yùn)行發(fā)次記錄嚴(yán)格按照發(fā)次序號(hào)來做記錄，發(fā)現(xiàn)了小信號(hào)增益和隨日運(yùn)行發(fā)字之間的關(guān)系，所有的光路在整體上較為統(tǒng)一。前面的發(fā)次累計(jì)產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)對(duì)下一發(fā)次的小信號(hào)增益造成影響，使其減小，并且，所有光路的影響結(jié)果都是幾乎統(tǒng)一的。將這一研究結(jié)果帶入到小信號(hào)增益的穩(wěn)定性研究之中也會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把這項(xiàng)系統(tǒng)偏差引入小信號(hào)增益評(píng)定之中會(huì)干擾工作，把小信號(hào)增益的影響降低。而且，還在很大程度上提高了小信號(hào)增益的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

四、激光裝置增益預(yù)測(cè)的實(shí)際模型

從統(tǒng)計(jì)層面出發(fā)，小信號(hào)增益的不穩(wěn)定性包含著變相和高頻擾動(dòng)項(xiàng)兩方面。高頻擾動(dòng)性和日運(yùn)行發(fā)次相關(guān)的系統(tǒng)偏差以及高頻項(xiàng)緩變項(xiàng)都證明了小信號(hào)增益與平均值比較接近?？梢砸胂到y(tǒng)偏差來和先發(fā)次的函數(shù)進(jìn)行一個(gè)結(jié)合，要想對(duì)下一發(fā)的小信號(hào)增益進(jìn)行科學(xué)的預(yù)算及檢測(cè)，就應(yīng)該對(duì)新構(gòu)建的主防增益預(yù)測(cè)模型進(jìn)行一些改變。借助于多發(fā)平均來獲得緩邊項(xiàng)，可以有效地消除高頻項(xiàng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響，同時(shí)，由于緩變項(xiàng)離下次發(fā)次間隔較遠(yuǎn)的發(fā)次要保證具有較低的權(quán)重，受到系統(tǒng)偏差的影響，可以用與日運(yùn)行發(fā)次有關(guān)的函數(shù)來進(jìn)行改正，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著發(fā)次數(shù)目逐漸增加，實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度也有了很大的提高。但是，如果發(fā)次數(shù)目較大的話，那么，再增加發(fā)次的數(shù)目也是沒有代表意義的。

結(jié)束語：

上文中根據(jù)一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際操作，對(duì)高功率固體激光裝置的增益特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。同時(shí)，得出一些結(jié)論及高功率固體激光裝置在具體工作中，放大器的增益性存在著緩變的趨勢(shì)，而且存在著高頻的不穩(wěn)定性。要想解決高頻不穩(wěn)定性的問題，就要對(duì)各種因素進(jìn)行具體考慮，最大限度降低增益的不穩(wěn)定性，提高裝置的運(yùn)行效率。當(dāng)前階段，我國已經(jīng)建立了以權(quán)重因子和日運(yùn)行發(fā)次為主要工作內(nèi)容的預(yù)測(cè)模型。這種新型的主方能量輸出預(yù)測(cè)模型大幅度提高了激光能量的準(zhǔn)確程度，而且實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)次結(jié)果，對(duì)于這項(xiàng)新型模型進(jìn)行檢查。結(jié)果證明：新型模型有著比傳統(tǒng)的單發(fā)次的遞推模型更相近的優(yōu)勢(shì)，提高了增益預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)于能量平衡也進(jìn)行了相關(guān)程度的優(yōu)化。所以，這項(xiàng)研究對(duì)于我國將來進(jìn)行大型固體激光裝置的配備工作有著重要的作用和影響，我國應(yīng)該努力推動(dòng)高功率激光裝置主放大器的增益穩(wěn)定性研究工作，不斷推動(dòng)它的良好發(fā)展。

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（作者單位：華北光電技術(shù)研究所）