根据啁啾脉冲宽带放大动力学理论,采用数值模拟的方法对啁啾脉冲在钕玻璃多程放大系统中的放大特性及脉宽压缩特性进行了系统分析。首先分析了光谱未预补偿情况下,放大系统不同输入参数配置对放大脉冲各参数特性以及压缩后脉冲脉宽、信噪比的影响。利用基于修正输入的正向反馈迭代方法,获得了输出脉冲一定的情况下,所需要的输入脉冲波形和频谱分布。最后,将啁啾脉冲扩展至三维空间,反演分析计算小信号增益系数在空间非均匀分布时的脉冲放大特性,给出啁啾宽带放大计算中数据量大的解决方法。本文结果对高功率钕玻璃多程放大系统的啁啾脉冲放大优化设计有一定的参考意义。

基于超强超短激光装置泵浦源系统中搭建的百焦耳级钕玻璃激光器,实验分别测量了该钕玻璃激光器在一分钟一发、两分钟一发、三分钟一发的重复频率条件下工作的热致波前畸变。通过采集激光波前信息反映出受热效应影响大小,通过分析实验结果最终确定了百焦耳级钕玻璃激光器能够稳定工作的重复频率。目前该钕玻璃激光器能够在三分钟一发的重复频率条件下稳定输出波长为526.5 nm、能量约为100 J的高光束质量激光脉冲,输出光斑能量呈近平顶分布。最终由多台百焦耳级钕玻璃激光器组成的泵浦源系统能够稳定输出泵浦光并成功地应用于泵浦SULF 10 PW终端钛宝石主放大器。

采用电子探针显微分析(EPMA)技术分析和研究了强激光辐照前后连续熔炼钕玻璃中铂金颗粒的各种形态。强激光辐照后的铂金颗粒夹杂物呈现出3种典型的EPMA形貌,这是铂金颗粒吸收激光能量引起的热应力和蒸气压共同作用的结果,钕玻璃的热力学性质对其形态也有一定影响。对比锆和锡夹杂物的EPMA分布特性可以发现铂、锆、锡被共同包裹的现象。

研制了一套能量输出稳定、光斑分布均匀、时域近方波形的四路钕玻璃抽运源系统。系统能够输出4×180 J的基频能量(波长为1053 nm)，4×80 J的倍频能量(波长为526.5 nm)。主要结构包括四部分：前端种子源、再生放大器、钕玻璃棒放链和KDP倍频晶体。利用偏振片实现了垂直偏振的两路基频光合束，经过第二类相位匹配KDP晶体倍频，获得了共线且同偏振的526.5 nm倍频光，实现了用于150 mm口径钛宝石放大器的结构紧凑的双脉冲抽运源。

搭建了一套氙灯抽运的有源反射镜钕玻璃激光放大器系统。实验研究了有源反射镜钕玻璃激光放大器的增益特性及能量提取。钕玻璃几何尺寸为380 mm×160 mm×30 mm, 掺杂浓度为2.2 %(质量分数)。充电电压为23 kV时, 实验测得系统的小信号增益系数为0.056 cm-1, 储能效率为2.0%。充电电压为22 kV时, 输出激光光斑尺寸为 126 mm ×126 mm, 脉冲宽度为5 ns；预放注入能量为6.67 J时, 激光放大系统获得最大为349 J的能量输出。系统静态波前峰谷(PV)值为8.38λ。

对应用于惯性约束聚变(ICF)激光驱动器的新型N41大口径钕玻璃片在高增益条件下的热效应进行了系统研究。实验结果表明，在平均小信号净增益系数达到0.0525 cm-1的高增益情况下，385 mm×385 mm口径范围内两片双程的热致动态波前畸变的峰-谷值约为0.84λ(λ=1053 nm)，处于变形镜校正范围之内；基于目前的冷却方案，剩余波前畸变的恢复时间约为2.5 h，满足系统每4 h发射一次的设计要求；每次发射7 h后，系统内仍存在热气体对流引入的微小畸变；理论预测结果与实验结果一致。该研究为下一代ICF激光驱动器内片状放大器系统的研制提供了实验参考。

研制一台大能量高稳定性的钕玻璃激光器。采用陶瓷紧包聚光腔, 双脉冲氙灯侧面泵浦棒状磷酸盐钕玻璃, 平行平面谐振腔实现激光器大能量、稳定性输出。应用光线追迹软件, 仿真聚光腔内钕玻璃激光棒泵浦光场, 分析聚光腔的泵浦光分布,优化聚光腔设计。采用半桥逆变式串联谐振充电的电源主电路, 应用PID控制技术的控制电路实现激光器高稳定输出。通过实验分析计算, 钕玻璃激光器输出单脉冲能量为214 J、脉宽为2 ms, 激光能量输出的稳定性为±0.7%, 电-光转换效率为1.9%和光束质量M2为1.5的激光。

激光二极管(LD)端面抽运的中等口径片状放大器可实现重复频率工作, 兼顾大能量输出和优良光束质量, 成为惯性聚变能(IFE)及战术**等领域的研究热点。钕玻璃介质具有制造工艺成熟、储能较高、受激发射截面适中等优点, 是美、日等国IFE领域的重要研究对象。但钕玻璃热导率较低, 重复频率应用时热致波前畸变、热致断裂等热效应明显。使用光线追迹和有限元方法, 结合高功率端面抽运重复频率钕玻璃放大器的工作特点, 对钕玻璃增益介质的温度场和应力场进行了模拟分析, 详细讨论了不同抽运功率、冷却参数、工作频率所带来的影响。同时分析了可能引发介质炸裂的机理, 探讨了抽运极限问题, 结果将对端面抽运重复频率钕玻璃激光放大器的设计具有参考意义。

设计了一种新型的钕玻璃激光器谐振腔以满足激光器高稳定性及高强度激光输出的要求。该激光器利用角锥棱镜阵列作为谐振腔后腔镜, 平面镜作输出镜, 大尺寸钕玻璃棒作激光工作物质。对激光器进行了实验研究, 实验中获得了能量大于450 J的1.06 μm激光输出, 发散角为0.6 mrad左右, 电-光效率为2.1%。实验中采集到的光斑不是一系列振幅(强度)相等的小光斑, 而是中间有一个巨峰, 在其周围分布着一系列振幅(强度)小得多的次峰。对实验结果进行了解释与讨论, 提出了利用角锥棱镜阵列进行激光束相干合成的设想。

为了进一步提高激光器输出功率，针对脉冲串工作的2kJ高能量钕玻璃固体激光器，采用有限差分法，对比研究了传统恒温水冷方式和采用传统水冷与加热控制相结合的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明，采用新型热管理技术可以降低激光棒内的温度梯度，确保高能量激光输出。