蒙特卡罗法在高功率激光系统输出能量稳定性研究中的应用

以"四程 助推"放大系统为例,运用蒙特卡罗(Monte-Carlo)法计算分析了放大过程中注入能量、放大增益及损耗单独存在随机变化和以上因素共同作用时对系统输出能量稳定性的影响.计算结果表明,系统输出能量稳定性对四程小信号增益系数和腔内光学元件透过率的随机变化相当敏感;小信号增益随机变化明显大于注入能量对输出能量稳定性的影响.同时,也说明应用蒙特卡罗方法解决随机性问题的有效性和简洁性.     

高质量高效率高稳定性参量放大光产生的研究

针对光参量放大实验中存在的参量转换效率低、输出光脉冲形状畸变和输出稳定性差等问题进行了详细研究，对注入信号光强、抽运光耗尽、增益饱和、和频过程等因素对参量过程的影响进行了详细分析讨论，并进行了光学参量放大的实验研究.理论和实验研究结果表明通过优化选择合适的注入信号光强、抽运光强和晶体长度等参数，使参量放大运行在深度增益饱和状态的稳定区，完全可以获得高质量高效率高稳定性的参量放大输出光. 关键词： 光参量放大 抽运光耗尽 增益饱和 稳定性     

激光原型装置结构稳定性指标划分理论及检测

 结构稳定性是ICF驱动器一个重要的设计指标。根据激光原型装置（TIL）多程放大、框架式设计的特点,结合矩阵光学对单个光学元件对光束漂移的影响进行了分析,综合不同光学元件对光束漂移的影响,建立了光学元件稳定性指标分配的数学模型,根据原型装置特点对数学模型中各参数之间的关系进行了确定,求解得到了装置内各个光学元件的稳定性指标,以此作为光机系统结构稳定性的设计要求。经过对原型装置光路稳定性指标的测试,光路稳定性漂移x方向和y方向均方根值为2.78 μm,峰谷偏差值x方向和y方向分别为14.4 μm和15.60 μm。结果表明原型装置结构稳定性漂移满足设计要求,稳定性指标划分方法合理。     

不同振荡放大比MOPA型化学激光器的数值模拟

主振功率放大型装置在高能激光器中有着广泛的应用, 在增益体积和沿光轴方向增益长度一定的情况下, 为了得到高能化学激光器主振部分和放大级部分的最佳比例, 研究了不同振荡放大比对输出光束的近场强度以及最终输出功率的影响. 使用快速傅里叶变换的算法经过迭代计算得到了1:4, 1:1, 2:1三种振荡放大比情况下的近场光束强度分布, 并计算了其强度分布均匀性及最终输出功率情况. 计算结果表明: 采用MOPA 结构的氟化氘化学激光器, 振荡放大比越大, 主振荡部分输出的能量越高, 谐振腔内功率密度越大, 对腔内镜片的承受能力要求越高; 而振荡放大比越小最终输出光束的衍射放大效应越明显, 对光束质量越不利. 在本文条件下, 计算结果还表明, 振荡放大比对功率会产生影响, 存在一个最佳的比例使得输出功率最大. 振荡放大比对输出功率的影响随主振部分输出耦合率, 光路中的各种损耗, 增益的规模等多种参数的不同而变化, 工程运用中可根据具体参数进行计算. 关键词： 主振功率放大 光学谐振腔 近场强度 光束质量     

光参量啁啾脉冲饱和放大的增益稳定性

 光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）在饱和放大区存在一个增益稳定点，据此设计了一个输出稳定的三级OPCPA系统；第一、二、三级分别选用准相位匹配的周期极化钛氧磷酸钾（PPKTP）晶体、LBO晶体和KDP晶体作为增益介质。饱和放大时，增益随泵浦光强度变化时的增益输出稳定性明显改善，在泵浦光强度抖动低于6%的情况下，各级光参量放大器OPA输出的增益抖动小于1%。前级采用准相位匹配的PPKTP晶体作为增益介质，在远低于破坏阈值的30MW/cm²的泵浦功率密度下，可得到2×10⁵的饱和放大增益和20%的能量转换效率。     

大能量输出类再生放大系统研究

在对再生放大系统进行改进的基础上提出类再生放大技术,应用大口径放大器,在腔内增加完全成像系统,对注入整形光束进行任意多次的保形放大。可行性验证实验基于两个低增益、大口径放大器,已达到大于10~4的系统增益;在注入能量仅为43μJ能量条件下,实现了大于600 mJ的系统输出能量。验证实验结果表明基于较低增益放大器单元的类再生放大系统,既能实现高增益又能实现大能量输出。     

光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动对增益稳定性的影响

 在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下，给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下，对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响非常大,使放大信号光脉冲的增益光谱发生了明显的偏移，波形不对称和整个增益降低；并且信号光光谱越宽，光参量放大间的时间同步抖动对其增益影响越严重；但随着参量放大增益饱和的出现和加深，信号光和抽运光之间的同步时间抖动对放大信号光的输出强度影响减弱，即在饱和放大处可以获得更稳定的放大信号光输出。     

基于Ti∶sapphire振荡源的光参量啁啾脉冲放大器

以钛宝石飞秒振荡源作为种子源,在二级放大器中,采用种子光被同一束抽运光在有效非线性系数最大的平面内放大两次的双通光参量放大结构,实现高增益光参量啁啾脉冲放大.实验得到了3×107的总增益,信号光输出能量为3 mJ,能量晃动小于3%rms,此时参量荧光仅占输出总能量的1%.实验结果表明,采用这种放大系统,提高了信号光与抽运光在时域上的匹配,有效地抑制了参量放大过程中参量荧光的产生,同时提高了系统的稳定性.     

高增益磷酸盐玻璃再生放大器

采用新型磷酸盐玻璃研制了一台激光再生放大器，进行了弱信号种子光的注入、放大以及腔倒空实验，在１０５３ｎｍ波长处获得４ｍＪ的输出能量，增益大于１０＾６。     

电子束泵浦注入锁定XeCl准分子激光理论模拟

模拟了强流电子束泵浦下,激光腔内的反应动力学过程,及不同注入时间、不同注入强度下注入锁定的激光生成、放大和输运过程。对实际非稳腔使用了一维伸展近似,并采用了预估—校正方法对光子输运方程进行求解。模拟结果表明,激光生成阶段,注入种子光源后,激光输出质量明显改善,使自发辐射部分受到了明显的抑制。得到了在不同注入强度、注入时间以及放大倍数下的激光输出的光谱特性,能量及各种效率的关系。发现锁定效果最佳时的注入时间出现在小信号增益峰值处。     

基于大基模体积的10mJ飞秒钛宝石激光再生放大器

文章报导了基于大基模体积的高能量飞秒钛宝石激光再生放大器的设计与实验研究,在重复频率10 Hz、抽运能量60 mJ的激励下,得到了单脉冲能量17.4 mJ的种子脉冲放大结果,压缩后的脉冲宽度为40.6 fs,能量为13.9 mJ.借助于此大基模体积再生腔,仅增加一级多通放大,实现了峰值功率达1.9 TW飞秒激光脉冲输出.结果表明,大模体积再生放大不仅降低了后续放大对抽运能量的要求,也可以单独压缩实现再生腔直接输出10 mJ量级的飞秒激光脉冲,是大能量高峰值功率飞秒激光系统的优质前端.     

Highly Stable, Diode-Pumped Nd：YLF Regenerative Amplifier

We present the design and experimental results for a diode pumped Nd：YLF regenerative amplifier applied to amplify a nanosecond laser pulse. Numerical simulation shows that the maximum output energy and the best stability can be obtained when the regenerative amplifier operates in a saturated mode for all pulse duration and temporal profiles. Using extra post-pulse is a good method to decrease the square-pulse distortion caused by gain saturation effect. The amplifier shows output energy of 4.2mJ with a total energy gain of more than 10^7 and output energy stability of better than 1% rms. When extra post-pulse is added, square-pulse distortion is decreased from 1.33 to 1.17 for the amplifier that is seeded with an optical pulse of 3ns.     

Self-similar amplification in fiber Bragg gratings written in fiber amplifiers

We show, by using numerical simulations, that self-similar pulses with a duration on the order of few nanoseconds and an energy on the order of 10?μJ can be obtained at the output of a fiber Bragg grating (FBG) written in a fiber amplifier. The evolution of the amplified pulses is determined by the combined effect of Kerr nonlinearity, normal-dispersion, gain, and gain saturation, which limit the pulse energy. The output pulse mainly depends on the initial pulse energy rather than on the initial pulse profile. The reduced group velocity in FBGs can significantly increase the total gain for a given amplifier length. Hence we find that the proposed amplification scheme can be highly advantageous for amplification of nanosecond-scale pulses in fiber amplifiers.     

增益半导体光放大器的特性

为满足半导体光放大器（SOA）在光纤到户FTTH系统接入网中的广泛应用,提出了基于光纤光栅外腔反馈型GC-SOA结构的全光增益机制,窄线宽激光光源经可变衰减器、隔离器和光纤光栅注入到SOA中,SOA的输出光经隔离器和光纤光栅送至光谱分析仪,通过光纤光栅反馈输入SOA形成钳制激光。对GC-SOA的阈值特性、增益特性及开关特性进行分析,结果表明:当注入电流小于GC-SOA的阈值电流时,增益随注入电流的增加而增加;当注入电流大于GC-SOA的阈值电流后,其增益不再随注入电流的变化而变化,实现了SOA的增益稳定,使SOA的饱和输出功率得到了提高。     

Experimental Study of a Diode-Pumped Nd:YAG Slab Laser Amplifier

We demonstrate a laser-diode-pumped Nd:YAG slab amplifier with dimensions of 7×35×138.2 mm. The fluorescence is homogeneously distributed in the Nd:YAG amplifier, and a stored energy of 3.2 J can be achieved at 1,500 W pump power. For a repetition frequency of 200 Hz, 25 μJ injection polarized seed light, and 1,500 W pump power, the small signal gain reaches 12.66. At the same repetition frequency, 0.4 mJ with 27 ns bandwidth of injected seed-light energy and a 6×26 mm aperture, the output energy reaches 1.071 J. The extraction efficiency is 33.46% after four-pass amplification. An energy amplification from millijoules to joules is realized for the injected laser beam.     

光纤激光器光参量啁啾脉冲放大现象

实验研究了采用信号光在一块非线性晶体内被同一束泵浦光放大两次的结构来实现光参量啁啾脉冲放大过程中对参量荧光的控制,实验得到了2×106的双通总增益,输出总能量为2 mJ,信号光能量晃动小于3％ rms,此时参量荧光仅占输出总能量的1％.采用这种放大结构,提高了短信号光与长泵浦光在时域上的匹配和转换效率,抑制了参量荧光,并提高了放大信号光的能量稳定性.     

高功率固体激光性能仿真模型

为实现高功率固体激光装置的能量平衡和功率平衡,开发了激光性能仿真模型为神光-Ⅲ原型装置的运行提供实时预测。模型能够确定系统参数设置(注入能量、注入脉冲波形和参数诊断衰减设置等)。注入能量的预测采用基于以往实验数据的放大曲线拟合方法。平顶脉冲的注入波形预测采用循环迭代算法,整形脉冲波形的预测采用增益-通量曲线法。参数诊断衰减设置是通过基于SG99光传输放大模型的全光路模拟计算实现。对原型装置的仿真表明,能量预测偏差在5%以内; 基频光束间能量分散度可控制在10%以内。模型已成为神光-Ⅲ原型装置运行仿真的有效工具。     

基于有源Fabry-Perot腔的激光脉冲延时自外差研究

对注入有源Fabry-Perot腔内的单纵模脉冲进行了延时理论分析, 计算了Fabry-Perot腔内增益, 并对脉冲输出进行了数值模拟, 结果表明当脉冲能量衰减到一定值时, 新增抽运粒子数提供的增益可以补偿腔内损耗, 延时脉冲的输出可以达到稳态. 然后利用激光二极管侧面抽运Nd: YAG激光器做为Fabry-Perot腔, 对外部入射的单纵模脉冲光进行了延时, 得到了延时时间2 μups、脉冲数量140个的实验结果. 最后利用有源Fabry-Perot腔对参考光进行延时, 声光移频器对信号光产生频移, 进行了外差实验, 实验结果与移频器的设置值相符, 误差在4%以内.     

Study of gain dynamics and temporal jitter effects in copper vapor laser oscillator-amplifier chain

Effect of temporal jitter on the performance of copper vapor laser (CVL) master oscillator power amplifier (MOPA) chain using Monte-Carlo techniques was studied. The MOPA chain comprised an oscillator and five amplification stages. Amplification of CVL signal in each amplifier stage was modeled using rate equation based optical model. The effect of temporal jitter on the pulse energy stability in CVL MOPA chain was estimated for various jitter values. Our studies show that the pulse energy spread and the pulse energy instability increases with increase in jitter which in turn depends on the gain pulse width and the jitter considered. Pulse to pulse gain variation in CVL MOPA chain was studied along with temporal jitter. The acceptable tolerance limit on temporal jitter is ±4 ns for a pulse energy stability of 5% of CVL MOPA chain.