重复频率Yb：YAG激光系统ASE及能流特性研究

“高效、重频、宽带”的DPSSL激光驱动器是惯性约束激光驱动器的一个发展方向。采用高功率LD阵列作为泵浦源,Yb激光晶体或陶瓷作为激光材料可以带来更高的系统效率和可靠性同时满足宽带传输的需要,采用主动的冷却方式可以得到更高的重复频率。 为了获得高的能量和输出功率,放大器的大口径和高增益会带来严重的自发辐射放大(ASE)。ASE严重降低激光介质的储能密度和效率,引起介质内储能再分布,使光束空间增益均匀性受到破坏。重频强泵浦时,Yb介质温升十分显著,除了影响光束质量外,更重要的是介质温升会造成激光下能级的堵塞,介质内储能的提取效率显著下降。抑制ASE和高效热管理对放大器的设计有着至关重要的意义。同时,由于Yb材料本身的特性,要实现大激光输出能量下的系统高效率,激光系统会运行在近损伤阈值的高通量下。高效激光提取和光学元件损伤对激光通量的要求成为激光系统能流设计的关键问题。 本文采用理论模拟和实验研究相结合的方法,研究了脉冲储能型重复频率片状Yb:YAG激光器的泵浦过程和能量提取过程。在Yb~(3+)离子泵浦动力学的基础上,建立了三维含时的泵浦过程中的自发辐射放大模型以及三维的激光提取模型。基于上述模型,讨论了介质尺寸、掺杂浓度及厚度、介质温度对自发辐射放大效应、储能均匀度、光—光转换效率以及可提取总能量的影响,给出了放大器参数的优化方法。应用以上优化方法,同时考虑激光通量的限制,设计了以获得10HZ/20J/10ns激光脉冲输出为目的的激光系统。本文给出了一些关于抑制ASE的新方法,同时进行了理论分析。进行了调Q振荡器实验与片状放大器增益实验,通过模拟计算与实验结果比较,验证了理论模型的正确性。 本研究工作在以下几个方面取得了创新性的结果: 1.建立了激光系统三维含时的自发辐射放大模型以及三维的激光提取模型,并进行实验验证。 2.计算得出了储能型Yb:YAG激光器不宜低温运行的结论。 3.将抑制ASE和热管理进行了有机的耦合。 4.基于Yb:YAG激光材料开展了新一代高效率、重复频率大能量DPSSL系统的设计。 5.提出新的AGE抑制方法并进行分析。