大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺的三倍頻能量測量

梁 樾，韓 偉，張 崑，李富全，曹華保，夏彥文，孫志紅，鄭奎興

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽621900）

大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺的三倍頻能量測量

梁 樾，韓 偉，張 崑，李富全，曹華保，夏彥文，孫志紅，鄭奎興

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽621900）

為了完成大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺建造初期的三倍頻能量測量，采用凹面鏡縮束方式取樣的方法，利用新型玻璃吸收元件完成光束的濾波，實(shí)驗(yàn)測試了新型玻璃吸收元件對測試結(jié)果的影響。結(jié)果表明，采用新型玻璃吸收元件可以獲得干凈的三倍頻光，剩余基頻、二倍頻光的影響在0.4%左右，整個(gè)三倍頻能量測量的測量不確定度可以控制在5%以內(nèi)，保證了激光裝置能量測量的可靠性。

測量與計(jì)量；高功率激光；脈沖能量；卡計(jì)；激光脈沖

引 言

激光自問世以來，其參量的測試一直緊跟激光技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，而激光能量是激光裝置最基本的參量之一，直接關(guān)系到激光裝置的輸出能力、靶面功率密度等與物理實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的參量。回顧高功率固體激光裝置的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，為滿足物理實(shí)驗(yàn)對輸出能力不斷提高的需求，裝置的激光束數(shù)在不斷地增加，光束口徑也在不斷地增大，工程規(guī)模越來越龐大。目前最具代表性的裝置是美國勞倫斯里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置［1］，其激光束數(shù)達(dá)到192路，單束通光口徑達(dá)到400mm×400mm，單束輸出能量達(dá)到了18kJ左右；我國在建的神光Ⅲ主機(jī)裝置也達(dá)到48路，單束通光口徑達(dá)到360mm× 360mm，單束輸出能量8kJ左右。能量的提高對元器件的激光抗損傷閾值的要求也進(jìn)一步提高，通常大型脈沖激光裝置［2-5］的最大輸出性能受限于高通量下光學(xué)元件的損傷，紫外波段的光學(xué)元件壓力更大。為了全面研究高通量水平下光學(xué)元器件、組件或系統(tǒng)的負(fù)載能力［6-8］，必須具有精密的能量測量方法和手段。

大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺是一臺具有較高激光控制能力以及完整的激光參量診斷能力、具備開展裝置負(fù)載能力相關(guān)因素（光束質(zhì)量、光學(xué)元件使用環(huán)境、光學(xué)元件使用壽命等）綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的激光實(shí)驗(yàn)平臺［9］。該平臺不僅具有激光參量精密診斷能力、光學(xué)元件在線損傷檢測能力，還具有完整的能量監(jiān)測能力，它們位于激光參量綜合診斷系統(tǒng)內(nèi)。然而，在激光參量綜合診斷系統(tǒng)未建造之前，為了研究抑制三倍頻KDP晶體在高通量運(yùn)行時(shí)的橫向受激喇曼散射（transverse stimulated Raman scattering，TSRS）損傷，需要在大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺上開展切割晶體和燒蝕晶體TSRS實(shí)驗(yàn)，因此要求準(zhǔn)確測量三倍頻的能量和效率。由于該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺采用開放式頻率轉(zhuǎn)換組件，不存在聚焦打靶透鏡來實(shí)現(xiàn)諧波分離，無法采用大型激光打靶裝置的能量標(biāo)定技術(shù)［10-11］，因此，如何獲得純凈的三倍頻光是需解決的首要問題。

本文中介紹了采用凹面鏡縮束方式取樣，利用新型玻璃吸收元件完成光束的濾波，通過監(jiān)測取樣光束的剩余基頻、二倍頻能量的方法保證取樣三倍頻光的純潔性，從而完成三倍頻能量測量的方法。

1 三倍頻能量測量光路

大型激光裝置的一個(gè)重要性能指標(biāo)是三倍頻轉(zhuǎn)換效率，定義為頻率轉(zhuǎn)換模塊后的三倍頻激光能量與該模塊前的基頻激光能量之比。大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺頻率轉(zhuǎn)換模塊前的基頻激光能量通過主放測量包內(nèi)的卡計(jì)獲取［8，10］。三倍頻能量測量光路如圖1所示，它通過一臺通光孔徑為80mm的卡計(jì)（簡稱?80卡計(jì)）測量，采用凹面鏡反射取樣。為了抑制三倍頻晶體的TSRS，三倍頻晶體沿O軸方向一分為二，所以頻率轉(zhuǎn)換模塊包括一塊二倍頻晶體和其后的前后各半塊三倍頻晶體，在二倍頻晶體前豎直中間位置安裝2.6cm寬的條狀吸收玻璃遮擋三倍頻晶體間的縫隙，確保該縫隙不透光。由于凹面鏡（通光口徑330mm×330mm、焦距2500mm）口徑的限制，在頻率轉(zhuǎn)換模塊后通過由牌號為AB5的吸收玻璃制成的光闌將光束口徑從360mm× 360mm變?yōu)?90mm×290mm，其它實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果證明不同口徑的三倍頻轉(zhuǎn)換效率基本相同，即適當(dāng)變口徑不會影響能量的測量。然后該光束大部分能量經(jīng)牌號為B33的玻璃制成的取樣鏡（前表面不鍍膜，后表面鍍減反膜）透射進(jìn)入吸收體吸收，少部分能量經(jīng)反射后入射到凹面鏡（不鍍膜），利用凹面鏡將光束縮束至約45mm×45mm，經(jīng)劈板（用作時(shí)間、近場等其它參量的取樣）透射后進(jìn)入?80卡計(jì)，卡計(jì)前3mm厚的牌號為ZWB2的吸收玻璃保證了三倍頻光的純潔性。

Fig.1 Measurement layout the third harmonic energy of a large aperture high power laser experiment platform

2 三倍頻卡計(jì)標(biāo)定光路

如上所述，三倍頻能量測量的?80卡計(jì)需要標(biāo)定。標(biāo)定光路見圖2，在B33取樣鏡后放置通光口徑為420mm×420mm的卡計(jì)（簡稱420卡計(jì)）進(jìn)行三倍頻能量的絕對測量，在光闌后插入新型吸收玻璃元件吸收剩余基頻（1ω）、二倍頻光（2ω），用于提供干凈的三倍頻光（3ω）。為了保證三倍頻光的絕對干凈，基于三倍頻過程剩余基頻光較多的特點(diǎn)，新型吸收玻璃元件包括兩塊1ω吸收元件和一塊2ω吸收元件，保證透射的剩余基頻、二倍頻雜散光的影響只有0.4%，它對測量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)；為了驗(yàn)證三倍頻光是否干凈，在凹面鏡后漏光位置并放兩個(gè)通光孔徑為100mm的卡計(jì)（簡稱?100卡計(jì)），在卡計(jì)前分別裝3mm厚牌號為HWB4（只透基頻）和6mm厚牌號為QB26（只透二倍頻）的吸收玻璃監(jiān)測剩余1ω和2ω光。

Fig.2 Third harmonic calorimeter scaling layout of large aperture high power laser experiment platform

3 能量標(biāo)定

為了獲得晶體轉(zhuǎn)換后的三倍頻能量，必須預(yù)先對卡計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，三倍頻卡計(jì)標(biāo)定步驟如下：（1）將頻率轉(zhuǎn)換模塊中的二倍頻晶體調(diào)偏，保證不產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)換（即產(chǎn)生的二倍頻光占總能量的份額不超過0.1%，利用二倍頻?100卡計(jì)監(jiān)測），進(jìn)行激光主發(fā)射，用420卡計(jì)給出的能量比上頻率轉(zhuǎn)換模塊前獲得的主放能量得到頻率轉(zhuǎn)換模塊的滿口徑的基頻透過率k1（包括三倍頻晶體縫隙遮擋吸收玻璃、口徑變換光闌、晶體透過率、B33透過率），同時(shí)監(jiān)測?80卡計(jì)（3ω）是否有讀數(shù)判斷該卡計(jì)是否將基頻過濾干凈；（2）繼續(xù)將二倍頻晶體調(diào)偏，不產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)換，主放限制口徑（小于光闌口徑，實(shí)際標(biāo)定口徑為220mm×220mm）發(fā)射，用420卡計(jì)給出的能量比上頻率轉(zhuǎn)換模塊前主放能量得到限制口徑1ω透過率k2（包括三倍頻晶體縫隙遮擋吸收玻璃、晶體透過率、B33透過率），同時(shí)監(jiān)測?80卡計(jì)（3ω）是否有讀數(shù)判斷該卡計(jì)是否將基頻過濾干凈；（3）計(jì)算口徑變換系數(shù)（包括三倍頻晶體縫隙遮擋吸收玻璃、口徑變換光闌）其中α為第（2）步光闌的擋光率，可通過理論計(jì)算得到；（4）將頻率轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試到最佳匹配位置，主放滿口徑發(fā)射（360mm× 360mm），記錄下第i發(fā)次420卡計(jì)給出的能量E1，i（單位為J）和?80卡計(jì)（3ω）示值A(chǔ)2，i（單位為mV），同時(shí)監(jiān)測?100卡計(jì)（1ω）和?100卡計(jì)（2ω）是否有讀數(shù)，判斷該測試結(jié)果是否有效；（5）計(jì)算第i發(fā)次?80卡計(jì)（3ω）三倍頻能量的標(biāo)定系數(shù)：αi＝，其中T為B33取樣鏡的3ω透過率，該透1過率預(yù)先通過離線標(biāo)定獲得；（6）多發(fā)次求平均得到?80卡計(jì)（3ω）三倍頻能量的標(biāo)定系數(shù)：k3ω＝；（7）完成卡計(jì)系數(shù)標(biāo)定后，在正式實(shí)驗(yàn)過程中去掉420卡計(jì)，直接利用能量取樣測量光路進(jìn)行三倍頻能量的取樣測量，同時(shí)去掉三塊吸收玻璃，頻率轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試到最佳匹配位置，主放滿口徑發(fā)射，計(jì)算頻率轉(zhuǎn)換模塊后的三倍頻能量。光闌后的三倍頻能量E3與?80卡計(jì)示值A(chǔ)2之間滿足如下關(guān)系：

為了計(jì)算三倍頻轉(zhuǎn)換效率，因此需要得出頻率轉(zhuǎn)換模塊前基頻光能量和頻率轉(zhuǎn)換模塊后的三倍頻激光能量。其中頻率轉(zhuǎn)換模塊前的基頻光能量E1ω為主放診斷包測量的基頻光能量E乘以從主放取樣到頻率轉(zhuǎn)換模塊這段光路的傳輸效率T，即：

頻率轉(zhuǎn)換模塊后三倍頻激光能量E3ω為光闌后的三倍頻激光能量E3除以光闌系數(shù)M，即：

式中，光闌系數(shù)M為光闌后三倍頻光束能量與光闌前三倍頻光束能量的比例，通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，光闌系數(shù)M＝0.664。

故三倍頻能量外轉(zhuǎn)換效率為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

新型吸收玻璃元件的透射性能離線測試結(jié)果如表1所示，在大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺上的在線測試結(jié)果如表2所示，其中括號內(nèi)的數(shù)值為相應(yīng)波長激光的通量。可見不同平臺測量結(jié)果有一定偏差，但是固定平臺結(jié)果比較穩(wěn)定，可用于提供干凈的三倍頻光。為了保證三倍頻光的絕對干凈，基于三倍頻過程剩余1ω光較多的特點(diǎn)，本方案計(jì)劃使用兩塊1ω吸收元件加一塊2ω吸收元件，它們的綜合透射性能見表1的總透過率數(shù)據(jù)。理論計(jì)算在大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺輸出5500J情況下，不同位置的三波長能量如表3所示，可見剩余雜散光的影響只有0.4%左右，它對測量結(jié)果的影響是可以接受的。

Table 1 Offline measurement of transmission performance of novel absorbing glass

item 1ω 2ω 3ω 1ω-absorbing glass 7.79%（6J／cm2） — 84.5%（1.6J／cm2）2ω-absorbing glass — 3.86%87.1%（0.8J／cm2）

實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行4個(gè)發(fā)次的?80卡計(jì)系數(shù)標(biāo)定，如表4所示。計(jì)算結(jié)果表明，?80卡計(jì)的平均系數(shù)為0.7488J／mV，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.48%。考慮到420卡計(jì)的測量精度，整個(gè)三倍頻能量測量的測量不確定度在5%以內(nèi)。

Table 3 Theoretical energy at three wavelengths at various locations

Table 4 Results of calorimeter coefficient scaling

5 結(jié) 論

介紹了大口徑高通量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺建造初期驗(yàn)證晶體切割和晶體燒蝕抑制TSRS的效果的三倍頻能量測量方法及其標(biāo)定過程。采用凹面鏡縮束方式取樣，利用新型玻璃吸收元件完成光束的濾波，通過監(jiān)測取樣光束的剩余基頻、二倍頻能量的方法保證取樣三倍頻光的純潔性。通過對數(shù)據(jù)的分析表明，采用新型玻璃吸收元件可以獲得干凈的三倍頻光，剩余基頻、二倍頻光的影響在0.4%左右，整個(gè)三倍頻能量測量的測量不確定度可以控制在5%以內(nèi)，這為三倍頻晶體的定型設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)。

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Measurement of the third harmonic energy of a largeaperture high power laser

LIANG Yue，HAN Wei，ZHANG Kun，LI Fuquan，CAO Huabao，XIA Yanwen，SUN Zhihong，ZHENG Kuixin
（Research center of Laser Fusion，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

In order to measure energy of the third harmonic（TH）of a large aperture high power laser experiment platform，with a concave mirror sampling the beam，with a novel absorbing glass element filtering the beam，the influence of the absorbing glass element on the measurement result was experimentally tested.According to the data analysis，by using such a novel absorbing glass element，pure TH laser can be obtained and the influence of the residual fundamental and the second harmonic light is about0.4%.The uncertainty of energy measurement of the entire TH laser energy can be controlled within 5%，which guarantees the reliability of energy measurement for the laser facility.

measurement and metrology；high power laser；pulse energy；calorimeter；laser pulse

TN247

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.015

1001-3806（2014）06-0794-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61377102）

梁 樾（1966-），男，工程師，主要從事高功率激光技術(shù)方面的研究。

E-mail：liangyue1966＠qq.com

2013-11-08；

2013-12-03