SG99高功率固体激光装置光传输放大模拟系统和设计应用

粟敬钦  景  峰  王文义  彭志涛  刘兰琴  胡东霞  朱启华 罗  斌   李阳春

详细阐述了我国独立自主开发的第一套用于高功率固体激光装置光脉冲传输放大行为全过程综合分析的模拟设计系统——SG99研制过程。详细给出了高功率固体激光装置光传输放大过程涉及到的关键激光物理理论的研究进展，包括第二代高功率固体激光驱动器多程放大的动力学问题；描述脉冲经过级联介质非线性增长规律的具有增益或损耗的BT理论；基于非线性近轴波方程推导得到统一的振幅位相型“热像”形成的理论；分析了建立光传输放大过程的计算机数值模拟所需解决的关键技术问题，并给出了详细的光传输放大计算模型的考核过程，考核结果验证了SG99物理模型可靠性；最后，叙述了SG99在神光系列激光装置中的应用情况，并给出了与国内外同类技术综合比较结果：SG99主要技术指标和功能达到或接近了国外同类软件的水平，其线性传输模块的计算精度与国外同类软件Fresnel相当；基于反转粒子数速率方程并考虑激光介质能级的驰豫效应和热化效应的多程放大模型优于传统的F–N模型；建立的放大器模型能够准确描述脉冲在级联介质中多种物理机制综合作用的传输放大过程。

SG99模拟系统是我国首套能够用于高功率固体激光装置总体设计、系统性能评估和模拟运行的数值平台。该研究取得了以下主要进步点：(1)系统研究了纳秒光脉冲在高功率固体激光装置中的传输和放大问题，发展了脉冲多程放大的动力学理论；(2)建立了综合考虑脉冲在级联介质中放大、线性传输和非线性传输综合过程的放大器模型；(3)针对高功率固体激光装置复杂光路系统，解决了系统研制中链式多程光路排布等关键技术问题。

该系统经过了多种方法的考核，验证了可靠性，并在原型装置总体集成实验研究中发挥了关键作用——实现了对装置光束近场和远场质量的定量和半定量的全空域分析。该系统的建成提高了我国高功率固体激光装置总体设计能力，成为我国高功率固体激光装置总体设计的关键工具。