面向高功率高能激光应用的三场正交“激光增益芯片”关键技术研究

高功率高能固体激光系统在国家安全、工业加工、重大装备、科学研究、设施、医疗与卫生等重大领域具有极其广阔的应用前景。追逐更高效率、更高功率、更高光束品质、更高可靠性、更加紧凑的系统结构以及多体制运行模式一直是高功率高能固体激光研究与发展的主要目标与趋势。无论是面向聚变能源以及高能量密度物理研究的高峰值功率固体激光系统,还是面向激光武器等军事应用的高能固体激光系统,在确保主要性能的前提下,如何有效管控系统热效应,如何实现系统结构模块化、通用化、紧凑化以及可定标放大,已成为未来发展中亟待解决的重大问题。论文系统地梳理了高峰值功率固体激光系统中功率和效率持续提升的四大受限条件,即增益受限、热负载受限、功率负载受限和通量负载受限,分析了各自的影响因素,并半定量地给出了高峰值功率激光系统的设计区间。这部分内容主要体现在论文的第二章。基于固体激光增益介质抽运与储能特性,以及介质中热效应产生机理、影响与管控规律,结合未来重频与连续运行模式的两类高功率高能固体激光系统的性能需求,论文提出了基于抽运场、冷却场和激光场相互正交的“激光增益芯片”的新概念,作为未来先进高功率高能固体激光系统中增益单元的“基准”模块。“激光增益芯片”具有较高的功能集成度,“横向”可适度调整工作口径,“纵向”可扩展调整增益单元的总增益。论文系统地分析了集抽运、冷却、激光于一体的“激光增益芯片”概念模型的基本特征、潜在特点以及技术受限条件。在该模型中,增益介质呈片状结构,两个边缘面抽运,流体冷却两个光学界面,激光束自由传输与放大;激光场、冷却场和抽运场围绕增益介质在空域构成三维正交的基本模式。论文构建了“激光增益芯片”研究框架,为该模型的具体应用、“激光增益芯片”结构设计和系统集成奠定了基础;提出了基于带状波导实现“激光增益芯片”高亮度边缘抽运的新方法;分析了增益芯片基于“三场垂直正交,横向渐变掺杂”技术特点;阐述了在对未来系统应用中实现“纵向增益扩展”和“单元模块设计”的潜在优势。这部分内容主要分布于第三章。系统地研究了边缘抽运模式对“激光增益芯片”增益均匀性的影响,提出了基于增益介质“横向”渐变掺杂有效推升增益均匀性的新方法。首次研究、建立了双向边缘抽运条件下,四能级和准三能级两种激活离子获得均匀增益的解析和数值模型,并将渐变掺杂的方法扩展到了连续、长脉冲抽运和短脉冲抽运三类工作模式;利用基于光线追迹所建立的三维储能模型,证明了脉冲抽运情况下一维渐变掺杂方法的可行性。以Yb:YAG介质为例,仿真结果表明短脉冲抽运时的增益均匀性优于较长脉冲抽运的情况。此外,仿真结果表明,短脉冲抽运不仅降低了自发辐射的损耗,而且也降低了放大的自发辐射的损耗,并有效降低了激光系统内的热负载。这部分内容主要分布于第四章。系统地研究了流体冷却“激光增益芯片”光学界面的相关问题,重点研究了“激光增益芯片”热效应和流体场对激光场的影响。基于热力学和流-固耦合模型,采用有限元分析的方法,重点讨论了气体冷却煤质在不同冷却条件(温度、流速)下的散热能力。针对Yb:YAG介质,定量地给出了氦气冷却下“激光增益芯片”热效应所引起的波前畸变和退偏损耗。针对激光束横穿流场的特点,分析了流场对激光波前畸变的影响,结果表明气体的流场对激光束波前质量影响较小。此外,初步讨论了液体冷却的散热能力。这部分内容主要分布于第五章。系统地研究了“激光增益芯片”与激光系统的关联关系。针对脉冲、重频运行体制高功率激光系统输出特性的基本要求,首次建立了含损耗脉冲时域交叠的解析和数值模型,讨论了脉冲交叠效应对激光能量抽取和时间波形畸变的影响,完善了激光脉冲放大的理论模型,对设计紧凑型激光放大器具有重要意义。这部分内容主要分布于第六章。基于三场正交“激光增益芯片”的新概念,完成了千焦耳级ns固体(Yb:YAG)激光系统概念研究与设计。与“传统”技术途径比较,由于采用了边缘抽运模式,大幅度提升了“激光增益芯片”的抽运功率亮度;实现了短脉冲抽运,提高了介质的储能效率。采用横向渐变掺杂设计,较大幅度地提升了“激光增益芯片”内部的横向增益均匀性,调制度(增益峰值与其平均值之比)约为1.017,满足聚变能源驱动器对增益均匀性的要求。结合多程放大技术的合理应用,系统输出能量达1.1 kJ,光-光效率达43.3%,为先进强辐射系统的抽运激光光源可行性论证以及未来聚变能源驱动器的概念研究提供坚实的技术支撑。这部分内容主要分布于第六章。