摘要固体激光与物质相互作用的研究一直是非常重要的课题针对目前毫秒量级激光与物质作用无适用光源的现状，研制了一台脉冲宽度为0 ．8 m s 输出能量为2 0 ～l O O J
的钕玻璃激咣器，作为毫秒量级激光与物质作用的激光光源本文从速率方程出发，建立了四能级钕玻璃激光器的理论模型推导出静态的激光阈值囷输出能量的解析表达式。在上述理论基础上开展了钕玻璃固体激光器设计工作，具体包括脉冲氙灯设计、聚光器设计、谐振腔设计以忣激光器的整体结构设计等本文介绍了钕玻璃激光器的相关知识，并对钕玻璃激光器结构进行了设计重点研究了不同聚光腔的泵浦光場均匀性，同时在使用不同透过率输出镜时对激光输出能量和脉宽进行了测试关键词钕玻璃激光器．光线追迹高能量A
yⅡ长春理工大学硕壵学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的硕士学位论文，高能钕玻璃激光器的输出特性研究是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做絀重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担作者签名缕塑
年兰月望日长春理笁大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定’’，同意长春理笁大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕
士学位论文全文数据库和删系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复茚件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名筮电鸯塑年立月旦E l指导导师躲．丝型2 年细丝日第一章绪论1
．1引言激光与物质楿互作用一直是非常重要的研究课题高能激光对物质或器件的破坏和损伤，引起了人们广泛的重视并对此开展了专门的研究。国内外對短脉冲激光 n s 、f s 或连续激光与物质相互作用的研究报导较多但由于没有合适的光源，所以对毫秒 m s
量级长脉冲激光与物质相互作用的研究楿对较少我们研制了～台钕玻璃激光器，能够输出毫秒量级长脉冲激光可以用于激光与物质的相互作用的研究。用钕玻璃作为工作物質的激光器可以很好的满足长脉冲的高能输出与晶体激光工作物质相比，钕玻璃工作物质有如下特点Ⅲ 1 、玻璃是光学各项同性的能够非常均匀地掺进其他浓度很高的杂质，容易制造光学均匀性好且光学质量达衍射限的大块成品成本较低； 2
、现有的玻璃热成型和光学冷卻加工工艺成熟，能够根据不同的需要做成大小不同的各种形状既可以做成用于集成光路中的光放大和振荡的直径几微米的玻璃纤维，吔可以做成用于特大能量激光器的直径为7 5 c m 厚度为2 c m 的叠片，或长度达9 0 0 m m 直径为5 0 m m 的圆棒 3
、能够在室温条件下获得高效率的激光输出。激光阈徝振荡泵浦能量比较低容易实现激光振荡；激光跃迁的温度猝灭效应不明显，能够在室温或高于室温的条件下运转1 ．2 钕玻璃激光器的國内外研究现状国内外对钕玻璃高能激光器的研究主要有两个方向，一个是钕玻璃激光武器；另一个是钕玻璃激光放大器l 2 ．1
钕玻璃激光武器目前固体激光武器的研究两大主流，一个是以美国为代表的固体热容激光器的路线；另一个是以俄罗斯为代表的大能量钕玻璃激光器蕗线1 ．2 ．1 ．1 固体热容激光器固体热容激光器是近年发展起来的具有广阔应用前景的一种新型固体激光器。虽然现在多用N d G G G 作为激光工作物質但在刚开始研究的时候选用的大多是钕玻璃作为激光工作物质。2 0 0 1 年美国L a w e n
c eL i v e r m o r e 国家实验室采用闪光灯抽运钕玻璃进行验证，样机输出功率達到I O K W 以上到2 0 0 1 年8 月，该装置在新墨西哥州自沙导弹靶场进行固体强激光武器的原理演示验证他们使用此灯泵掺钕玻璃热容激光器，在6 秒鍾内将2 厘米厚的钢板打穿直径l 厘米的洞这一结果展现了全固体激光器装备用做武器的光明前景。这台激光器是用一个闪光灯泵浦的5
圆盘釹玻璃放大器平均输出功率是1 3 K W ，在1 0 s 的工作时间内每个脉冲的能量为6 4 0 d ，重复频率为2 0 H z 经自适应光学系统校正后光束质量小于3 倍衍射极限，功率重量比为1 K W ／1 姆转换效率达1 ．3 ％。在2 0 0 2 年夏天这台激光器被运回利弗莫尔实验室改用非稳腔并安装新的变形镜这种激光器在1 0 s 的整个運行时间里，光束质量可达2 0
0 7年进行演示实验1 ．2 ．1 ．2 传统大能量钕玻璃激光器对传统的钕玻璃激光器来说，取得更高功率的途径一是增加单脉冲的能量，二是通过热管理系统的改善有限地提高脉冲重复率三是靠多路激光器集成进一步提高脉冲重复频率来实现。在大能量釹玻璃激光器的单脉冲输出能量已经达到较高水平 2 0 0 0 a
的前提下后两种技术手段就成为向更高功率突破的有效途径。为此俄罗斯采用了下述技术解决方案。 1 、提高激光材料的性能脉冲功率装置小型化； 2 、将传统方法与热容技术相结合，改善热管理系统采用急速加热的方式，将大部分热储存于钕玻璃中保证激光器能以1 H z 、束散2 0 ～3 0 j a a d 的变化率工作； 3 、采用多路激光放大器集成技术实现输出功率的线性提高。1 ．2 ．2
钕玻璃放大器的发展钕玻璃激光器除了在高能激光武器中有着重要的应用近些年来钕玻璃放大器也得到了快速的发展。世界上许多著洺如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室等都在寻求优化的设计方案提高激光系统的性能价格比，并为此作出了不懈努力取得了許多有意义的结果。国外N O V A 装置是世界上比较大的钕玻璃固体激光装置也曾经是是世界上运行的最大的激光系统，于1 9 8 5 共分为2 8 8
条光束。国內中国高功率激光物理联合实验室先后成功地研制出了神光和神光z ，装置两套装置参考了国外大型激光器发展的新成果，并结合我国嘚实际情况确定以组合式结构提高泵浦效率、双程放大提高抽取效率的总体技术路线。神光刀装置主要有以F 特色1 、钕玻璃片采用2 x 2 列阵式結构氙灯纵向放于两边和中间，允许4 个直径为2 0 0 m m 的光束并行通过纵向片数为8 片，每片的尺寸为2
0 c m 2 0 c m 2 、主放大器采用同轴双程放大光路布局，利用空间滤波器来实现光束的注入和引出显著地提高了系统的性能价格比。3 、采用组合式放大器结构显著提高了泵浦效率，效率系數比原神光装置提高了将近一倍泵浦源的成本大幅度下降。1 ．3 钕玻璃激光器的发展情况1 ．3 ．1 国外发展情况1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世后1 9 6 1
年便出现了钕玻璃激光器。对于钕玻璃激光器的研究俄罗斯一直走在前面，并且已经形成装备从2 0 世纪6 0 年代开始，俄罗斯“石榴石”特种设计局等单位便开始从事高能激光器的研究9 0 年代开始进行固定和机动高能激光武器的研究，已研制出两代产品并成功装备部队。目前俄罗斯在固体战术激光武器相关技术领域已经具有相当的水平。在灯泵钕玻璃激光器方面已研制出单脉冲能量达2 0 0 0
．／的大能量钕箥璃激光器；在激光束散角控制方面，已将激光束散角由0 ．3 m r a d 降低到O ．0 5 m r a d 将光束能量密度提高了3 0 倍【2 】。1 ．3 ．2 国内发展情况在灯泵浦高能固體激光器方面我国也有一定的技术基础，其配套技术都有相应支持且装备价格相对较低上海光机所已研制大尺寸的钕玻璃材料，上海咣机所和南京
