增益和熱效應對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：在進行能量提取時，高功率固體激光裝置承擔著重要的角色，由于受到多方面因素的影響，所以，在進行精準的數據測試模型構建時還缺乏足夠的經驗。并且，國際上也缺少對主放大器增益的估計模型的具體介紹和研究。現存的預算估計模型也非常的粗劣，相關研究人員借助于三圓形裝置的實驗運行結果進行了模型的一個考察。實驗結果證明，和傳統的單一發次的模型相比，新型的預測模型對于高功率激光裝置主放大器的增益有著很重要的發展意義。

關鍵詞：高功率激光裝置主放大器；熱效應；增益穩定性

引言：

研究人員借助于慣性約束聚變的研究實驗，對于激光器進行了多路激光脈沖的能量平衡檢測。研究的實質就是：可以實現對各個激光的能量預算和精準的控制。在進行實驗時，就要充分了解激光裝置所有的構造的穩定性，尤其需要注意主放大器的輸出否定性，因為在進行固體激光裝置提取能量實驗時，集中在主放大器的能量較多，而且也較容易受到環境的影響。所以，要對主放大器進行一個嚴格的控制，經過一系列的研究實驗得出了一個結論，即一些高功率物體激光裝置在工作時，增益有低頻緩變，高頻也存在著不穩定性，這就造成了分裂預測的偏差，還得出了高頻不穩定性與日運行發次有關的系統偏差，造成這種現象的因素就是上發次中殘余的熱效應。研究人員借助于神光三圓形裝置的研究數據，構造了權重因子這一物理名詞，并且依據權重因子和日運行發次相關的主放能量輸出構造了預算估計模型，還對構建的模型進行了相關的考察。實驗結果證明，把傳統的燈發自推模型和新模型進行對比，有效地提高了大氣的準確性，對能量平衡進行了深度優化。

一、具體的物理模型和相關的物理參量

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，輸入的脈沖在經過激光裝置主放大器時，原子會釋放出以前所儲存的能量。我們借助于相關的方程，就可以進行全部放大過程的運算。光子密度發生變化時，可以分為兩方面內容：發射脈沖。階段中會產生一些光子數。另一部分是該脈沖發射體積的光子數，經歷一系列復雜的物理運算會知道，放大器和輸出能量之間存在著密切的關系，實際激光裝置主放大器的輸出水平會受到小信號增益和飽和能量密度兩個物理參數的影響。同時，它們共同的穩定性與激光器整體的增益穩定性密切相關。

二、激光裝置的增益變化規律。

激光裝置增益變化發生的原因是，在F-N方程之中，有兩種因素可以造成激光裝置的增益穩定性變化，即上文所提到的增益的飽和通量和小信號增益這兩方面因素。首先，就要對實驗的數據進行一個準確的分析，確定出發生爭議變化的具體原因。主要的方法就是通過固定保合通量以及小信號增益來對實驗的結果進行模擬運算，制造出一些具體的圖形來進行分析。并且，分別比較兩方面因素對于激光裝置主放大氣的增益穩定性的實際影響強度。具體的實驗數據如表所示。

根據實驗結果進行分析，小信號增益明顯要比飽和通量的影響程度大。所以得出結論是：小信號增益變化才是影響主放增益穩定性變化的具體因素。

三、激光裝置小信號增益的變化規律

在進行低頻擾動時，激光裝置整體上會呈現一種下降的趨勢。具體原因如下：激光裝置進行工作時，會導致所有設備投射率降低，導致裝置增益穩定性降低，而高頻擾動的具體表現形式就是激光裝置主放大器增益穩定性，受多方面因素影響，我國并沒有為此建立一個較為完善的體系。但是，在實際的實驗操作中會發現，前發次應累計熱效應導致整體的系統偏轉，嚴重影響了系統的透射率，從而導致系統增益穩定性下降。還是借用于上文所提到的神光三圓形裝置實驗，研究者對于運行發次記錄嚴格按照發次序號來做記錄，發現了小信號增益和隨日運行發字之間的關系，所有的光路在整體上較為統一。前面的發次累計產生的效應會對下一發次的小信號增益造成影響，使其減小，并且，所有光路的影響結果都是幾乎統一的。將這一研究結果帶入到小信號增益的穩定性研究之中也會發現，當把這項系統偏差引入小信號增益評定之中會干擾工作，把小信號增益的影響降低。而且，還在很大程度上提高了小信號增益的穩定性和準確性。

四、激光裝置增益預測的實際模型

從統計層面出發，小信號增益的不穩定性包含著變相和高頻擾動項兩方面。高頻擾動性和日運行發次相關的系統偏差以及高頻項緩變項都證明了小信號增益與平均值比較接近。可以引入系統偏差來和先發次的函數進行一個結合，要想對下一發的小信號增益進行科學的預算及檢測，就應該對新構建的主防增益預測模型進行一些改變。借助于多發平均來獲得緩邊項，可以有效地消除高頻項對于實驗的影響，同時，由于緩變項離下次發次間隔較遠的發次要保證具有較低的權重，受到系統偏差的影響，可以用與日運行發次有關的函數來進行改正，根據實驗結果，隨著發次數目逐漸增加，實驗預測的準確程度也有了很大的提高。但是，如果發次數目較大的話，那么，再增加發次的數目也是沒有代表意義的。

結束語：

上文中根據一系列的科學實驗以及實際操作，對高功率固體激光裝置的增益特點進行了簡要的分析。同時，得出一些結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，而且存在著高頻的不穩定性。要想解決高頻不穩定性的問題，就要對各種因素進行具體考慮，最大限度降低增益的不穩定性，提高裝置的運行效率。當前階段，我國已經建立了以權重因子和日運行發次為主要工作內容的預測模型。這種新型的主方能量輸出預測模型大幅度提高了激光能量的準確程度，而且實驗裝置的發次結果，對于這項新型模型進行檢查。結果證明：新型模型有著比傳統的單發次的遞推模型更相近的優勢，提高了增益預測的準確性，對于能量平衡也進行了相關程度的優化。所以，這項研究對于我國將來進行大型固體激光裝置的配備工作有著重要的作用和影響，我國應該努力推動高功率激光裝置主放大器的增益穩定性研究工作，不斷推動它的良好發展。

參考文獻

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（作者單位：華北光電技術研究所）