高功率LDA泵浦固体激光放大器研究

二极管泵浦的固体激光器DPSSL(Diode Pumped Solid-State Laser)代表了未来固体激光器发展的主流方向,不仅是继CO_2激光器、化学激光器等之后的一种潜在的武器用激光器,也是在可预见的时间内唯一能够满足惯性约束聚变能(IFE)10Hz左右的重复频率、每个脉冲MJ级能量/数十纳秒、10%转换效率、高可靠性和低代价技术指标等特点的技术途径。高功率激光二极管列阵(LDA)、泵浦耦合技术和热管理技术是DPSSL的三大关键技术单元。其中高功率二极管阵列是DPSSL的核心部件;泵浦耦合方式的设计是否合理高效,是影响系统增益能力强弱、增益均匀性好坏等关键性能的主要因素之一;热效应是制约DPSSL走向高效率、高光束质量和高重复频率运转的关键因素。 本文从二极管列阵泵浦固体激光的能量传输机制出发,对二极管阵列光学参数、二极管面阵(stack)排列方式、耦合传输、增益介质的能量沉积、多程放大、热管理等DPSSL全过程进行了系统的理论研究与三维实体建模仿真模拟,对DPSSL的LDA、泵浦耦合与热管理三大关键技术单元进行了综合优化设计,并通过建立一套24kW高功率二极管列阵泵浦钕玻璃激光放大器开展了相关实验研究和程序的校验,取得了系列重要成果。这些结果包括: 1)建立了利用了蒙特卡罗方法来描述光线的二极管列阵巴条(bar)发光实体模型,具有快慢轴发散角、发射功率、发光面积等光学特性,在此基础上,将该二极管bar条模型沿快轴方向进行堆叠即为二极管面阵模型,m×n个面阵进行排列即为泵浦用的二极管阵列模型; 2)基于三维光线追迹的泵浦耦合实体模型,并对大口径高功率二极管列阵端面泵浦固体激光放大器的一种新型耦合方式——激光二极管stack面阵拟球面排布、面阵激光快慢轴交替旋转90°排列(旋转风车式排列),空心镀银不锈钢(或铝)导管进行耦合的耦合方式进行了仿真模拟,研究了增益介质内的的能量沉积与耦合效率、耦合输出场均匀性和传输性等,其中增益介质内的能量沉积可作为增益性能分析与热管理的初始内热源分布,而后者可作为优化泵浦耦合的分析论据; 3)系统研究了DPSSL的热效应问题,基于光线追迹的内热源分布和有限元方法建立了热管理三维实体模型,并模拟计算了增益介质在直接水冷与相变材料热汇冷却下三维温度分布,以及增益介质装夹方式对介质热应力分布与变形分布的影响,从热管理出发对DPSSL进行了优化设计; 4)建立了一套24kW高功率二极管列阵泵浦的钕玻璃激光放大系统,开展了DPSSL泵浦耦合、热管理与增益性能的实验研究和仿真模拟程序的校验。实验研究表明,泵浦耦合效率为71.7%,泵浦耦合输出场在5mm内的传输效率为80%,取得最大单程小信号增益为为1.29倍,最大小信号增益系数为0.42cm~(-1),热稳态时波前畸变P-V值为0.92λ,波前畸变RMS值为0.1λ。而利用我们建立的仿真模拟程序,理论计算耦合效率为90%;泵浦耦合输出场在5mm内的传输效率为89%;模拟计算所取得的热致波前畸变、增益曲线与实验相符。