典型的TE CO2激光脉冲, 通常由高功率窄脉冲(100 ns)和低功率长拖尾部分(3~5 μs)组成。采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以实现对低功率长拖尾部分的有效吸收和散射, 保留需要的高功率窄脉冲前沿部分, 达到激光脉冲压缩和整形目的。详细研究了小孔位于不同离焦距离时整形激光脉冲波形的变化, 获得了整形激光脉宽、能量与离焦距离的变化关系, 实现了50~110 ns的窄脉冲CO2激光输出。进一步研究发现, 小孔等离子体开关的使用寿命主要由激光脉冲能量、重复频率、整形脉冲宽度决定。通过该技术实现的窄脉冲CO2激光可以用于极紫外光刻等离子体光源、激光雷达等领域的研究。

大口径倒腔式等离子体开关是神光Ⅱ升级装置倒腔式多程放大方案的关键单元，该方案要求等离子体开关能够在极短的时间内完成工作状态的转换。采用正负开关脉冲驱动的等离子体开关响应时间较长，无法满足装置的使用要求。基于Blumlein脉冲形成线结构的高压低阻抗开关脉冲发生器能够实现倍压输出，使单一脉冲驱动等离子体开关成为可能，从而大幅减小开关响应时间。单一脉冲驱动的350 mm×350 mm口径倒腔式等离子体开关理论充电时间约为54 ns，其开关响应时间可做到小于90 ns。实验测得的等离子体开关全口径开关效率大于99.7%，静态消光比大于381，时间窗口顶宽大于160 ns，底宽小于400 ns，上述指标均满足神光II升级装置的使用要求。

实验上采用比对方法测试了激光不经过固体与经过固体介质产生等离子体削波的脉冲波形信号，获得等离子体削波效应产生的脉冲削波倍数。实验结果表明，在波长1.064 μm，脉宽1 ns，聚焦透镜焦距100 mm，薄石英片厚度100 μm，约束等离子体的小孔直径80 μm情况下，等离子体效应产生的脉冲削波倍数为12~14；分别改变石英片厚度和约束等离子体小孔直径，等离子体脉冲削波倍数不变；增加入射激光能量，脉冲削波倍数增加，且经过等离子体后的激光脉冲波形的后沿逐渐出现很陡的下降沿。在产生脉冲削波的截断点位置进行图形拼接重构得到激光脉冲波形信息。

为得到脉宽可控的355nm紫外脉冲激光输出,采用1064nm脉冲激光诱导等离子体开关技术,控制355nm激光脉冲宽度,在激光电离Cu小孔内壁表面及空气击穿共同作用下,获得了2.8ns~10ns的脉宽可调输出。讨论了1064nm单脉冲输出能量对脉宽压缩的影响,在无延时情况下得到了脉宽最短达2.8ns的脉冲激光输出。在此基础上,保持1064nm单脉冲输出能量不变,采用延时装置改变两光路间的光程差,以控制等离子体开关相对于355nm激光脉冲的形成时间,最终得到脉宽可调的脉冲激光输出。结果表明,等离子体开关结构简单、操作方便、适用范围广,是一种较好的脉冲整形手段。

利用激光诱导等离子体开关技术,对355 nm脉冲激光自削波进行了实验和理论研究。分别采用5种不同焦距的透镜,集中讨论了透镜焦距及激光器输出单脉冲能量对脉宽压缩的影响,发现采用焦距为200 mm的透镜能够获得最佳的脉冲压缩效果。在聚焦透镜焦距200 mm,单脉冲能量160 mJ时,获得最短脉宽3.47 ns；在激光电离Cu小孔内壁表面及空气击穿共同作用下,获得了脉宽最短达2.11 ns的脉冲激光输出。此外,根据实验结果得到了355 nm激光空气击穿阈值,并与理论估算值进行比较,两者结果较为一致。

对于高密度、导通时间为μs级的柱状等离子体开关,利用磁流体动力学理论(MHD),对其导通阶段的磁场穿透过程进行了模拟,得到了磁场分布随时间的变化;研究了开关导通过程中能量输运导致的温度不均匀分布对磁场穿透过程的影响.模拟结果表明:对于高密度等离子体开关,磁场以远大于磁扩散速率的速度穿透到等离子体中;在磁压对等离子体产生的压缩效应和欧姆加热效应共同作用下,激波区域的等离子体温度显著升高,这进一步加速了磁场穿透;当考虑能量输运方程时,开关导通时间为0.87 μs,比等温模型的结果0.92 μs短,与实验结果0.87 μs相一致.

简要分析了脉冲整形对于TEA CO2激光倍频实验的重要性和必要性。目前,获得短脉冲的激光脉冲整形技术中,等离子体开关结构简单,而且脉冲整形效果好,是获得高质量短脉冲比较好的方法。设计了利用激光触发气体击穿产生等离子体的方式进行脉冲整形的等离子体开关,并利用电磁波在等离子体中的反射和传播对其工作原理进行了说明。利用自行研制的等离子体开关进行了TEA CO2激光脉冲整形实验,将主峰半高全宽(FWHM) 60 ns,带有长达数百纳秒的氮气拖尾的TEA CO2激光脉冲斩去拖尾、整形,得到了FWHM 30 ns的窄脉冲。在双块AgGaSe2晶体(长分别为11.7 mm和19.5 mm)倍频实验光路图中加入等离子体开关所得倍频转换效率达12.9%,比起未加等离子体开关时最高转换效率2%有明显的增加。