钕玻璃激光放大片在热恢复后的剩余温度场对于光束退偏和波前畸变具有重要的影响。当冷却过程中出现不对称情形，将导致剩余温度场的不对称，从而影响到高功率激光光束发次之间的重复性。本文在对N41型钕玻璃四周包边侧弱冷和强冷所导致的剩余温度场分布特征进行模拟分析的基础上，重点研究了包边侧不对称冷却所导致的剩余温度场的变化。这种变化的程度与钕玻璃四周包边侧冷却的强弱有关，并进一步分析了由弱冷转为强冷时钕玻璃激光放大片的通光面和四周包边界面上各自的散热量。

硬包边是激光钕玻璃减少放大自发辐射和抑制寄生振荡的包边技术之一,残余应力是硬包边的一个重要参数。详细描述了激光钕玻璃硬包边过程中残余应力的来源,并利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics,对硬包边浇注熔接过程中不同膨胀系数匹配条件和不同包边玻璃浇注温度下的残余应力分布进行了数值模拟。结果显示,激光钕玻璃和包边玻璃的膨胀系数差异愈小,产生的残余应力愈小;包边玻璃浇注温度愈高,则产生的残余应力愈大。硬包边实验结果表明:包边玻璃的膨胀系数和激光钕玻璃的膨胀系数愈相近,则残余应力就愈小,当包边温度在700~1200 ℃范围内时,残余应力随着包边温度的增加而增大。模拟结果与实验结果吻合,所以在硬包边的浇注熔接过程中,为了使残余应力最小,最佳策略是激光钕玻璃的膨胀系数和包边玻璃的膨胀系数尽量接近甚至相等,且包边温度尽量低。

为了改善氧化铈抛光液的性能,在不破坏钕玻璃表面质量的前提下提高钕玻璃的抛光效率,选择在氧化铈抛光液中加入阴离子表面活性剂雷米邦A,并研究了改性后的抛光液对氧化铈抛光液中粒子粒径、钕玻璃的材料去除率和抛光后钕玻璃表面质量的影响,分析了加入不同质量分数雷米邦A的抛光液在不同pH值下对钕玻璃抛光速率和抛光质量的影响。结果表明:雷米邦A能够抑制抛光液中纳米粒子的团聚,降低氧化铈的中位粒径,提高抛光效率。当二氧化铈质量分数为3%、pH为6.5、雷米邦A质量分数为0.30%时,材料去除率达到最大值169 nm/min;当二氧化铈质量分数为3%、pH为7、雷米邦A质量分数为0.20%时,钕玻璃的表面粗糙度达到最小值0.9 nm。

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。

重复频率激光放大器是实现重复频率激光器的关键器件,其重复频率取决于对抽运及放大过程中产生热量的有效控制。针对千焦耳量级输出重复频率激光器的需求,通过合理的结构设计、冷却液选型及测试等,研制出一台基于氙灯抽运、钕玻璃增益介质、液体冷却、通光直径为Φ130 mm的激光放大器样机。测试结果表明,该放大器样机可实现每分钟一次的重复频率运行,同时具备双程1.3189倍净增益,双程动态波前PV(peak to valley)平均值为0.2718波长(λ)(20 ℃,λ=1053 nm,10发次计)和0.3223λ(30 ℃,λ=1053 nm,10发次计)。

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。