激光玻璃包边后剩余反射率的测量和计算

０ 引 言

核聚变燃料具有比传统燃料和核裂变燃料更高的能量释放率，并且在聚变过程中不会产生核裂变堆固有的放射性废物以及对环境的破坏性和生物体的危害性。为了解决未来的能源危机，世界上许多国家都在积极的进行以产生核聚变动力为目标的研究工作。由于功率高、容易聚焦，以激光玻璃为工作介质的相干激光束惯性约束成为核聚变的首选放大器［１］。目前激光放大器系统多采用片状钕玻璃作为增益介质，为了获得更高的能量和功率，放大器的口径 越 来 越 大，随 之 带 来 了 严 重 的 自 发 辐 射 放 大（ＡＳＥ）和寄生振荡（ＰＯ）效应，ＡＳＥ和 ＰＯ 效应不仅会降低激光介质的储能密度和储能效率，而且对增益的均匀性会产生严重影响。研究表明，寄生振荡形成的条件是Ｒ·ｅＤβ ≥ １

式中Ｒ 为边界的剩余反射率；β为增益系数；Ｄ 为激光玻璃片长轴直径。

因此，要想减小和消除寄生振荡就必须使边界的剩余反射率Ｒ 不断地减小，甚至完全消除。目前减小剩余反射率最常用的方法是对激光玻璃进行包边，也就是在垂直于光路方向的片状激光放大器的侧边配以吸收寄生振荡的介质［２］。本文对不同折射率匹配条件下的剩余反射率进行了讨论，根据光在激光玻璃、光学胶粘物质、包边材料三层介质之间的传播建立模型，提出一种测量剩余反射率的方法，并推导剩余反射率的计算公式。

１ 激光玻璃包边方法

目前激光玻璃包边方式分为两大类，一类是“硬包边”，另一类是“软包边”［３，４］。

（１）硬包边是将熔融态的玻璃液直接浇注在高温片状激光玻璃周边或者采用粉末烧结法在激光玻璃表面涂覆吸收层，然后高温烧结。

（２）软包边是采用光学胶将包边材料与激光玻璃粘结在一起。

２ 激光玻璃与包边材料折射率的匹配

在进行包边材料的制备时，通常无法实现包边材料与基体激光玻璃的折射率完全一致，因此有必要对包边材料与激光玻璃的折射率匹配关系进行详细的讨论。

２．１ 硬包边情况下的折射率匹配

激光玻璃硬包边的结构如图１所示。自任意一点Ａ 发出的荧光以α 角入射到激光玻璃与包边材料的界面Ｂ 点，部分光以反射率Ｒ０ 反射到基体内部，另一部分透射到吸收层ｎ２，到达Ｃ点时部分光又被反射回ｎ２ 层，再经过吸收层的吸收后剩余的一小部分光又回到ｎ１ 层，此反射率为Ｒ１，如此反复。那么，总反射率∑Ｒ 为

∑Ｒ ＝ Ｒ０ ＋Ｒ１ ＋Ｒ２ ＋ …… ＋Ｒｎ

２．２ 软包边情况下的折射率匹配

在软包边的情况下，包边材料、光学胶 粘 物 质、激光玻璃三者之间折射率也要有严格的匹配关系。软包边结构示意图如图２所示。与硬包边情况相同，为了使自发辐射荧光不被全反射，就要使激光玻璃、包边材料、光学胶三者之间的折射率满足ｎ２ ＞ｎ３ ＞ｎ１；其次，ｎ１、ｎ２、ｎ３ 的差别要尽可能的小，保证界面剩余反射率最低；第三，光学胶粘物质与基体激光玻璃之间的界面必须结合紧密，不能产生任何的缺陷，尤其不能有气泡夹杂，这是因为激光玻璃与空气的折射率差别大，当自发辐射荧光到达基体与光学胶界面时，若与气泡相遇，就会发生强烈的反射作用，使剩余反射率迅速的增大。 剩余反射率的测试和计算方法.

３．１ 剩余反射率的测试仪器

剩余反 射 率 的 测 试 采 用 ＰＥＬａｍｂｄａ９５０紫 外可见分光光度计，其光路图如图３所示。测试时设定光源的输 出 波 长 为 １０５３ｎｍ，被 测 样 品 置 于 反 射率样品架上，通过积分球、反射棱镜１和反射棱镜２的共同作用，将试样反射的光全部通过接收器接收，最终通过信号转换得出试样反射率的数值。

３．２ 反射率的测试方法

剩余反射率实质上是光入射到激光玻璃内表面与包边材料二者界面形成的反射。在实际测试时，无法在玻璃中形成一个光源，因此光必须从玻璃外入射。

３．３ 剩余反射率Ｒ（剩）的测量和计算采用３．２所述的方法测量和计算表面反射 率后，就可以对剩余反射率进行测量和计算。

３．３．１ 硬包边情况下剩余反射率的测量和计算

当激光玻璃表面存在包边材料时，光的反射和折射如图５所示。其中：ｎ０ 为空气的折射率；ｎ１ 为激光玻璃的折射率；ｎ２ 为包边的折射率；Ｒ１ 为空气与激光玻璃界面的反射率，即表面反射率；Ｒ２ 为激光玻璃与包边材料界面的反射率；Ｒ３ 为包边材料与空气界面的反射率；Ｉ０ 为入射光的光强；Ｉ１ 为入射光经过空气与激光玻璃界面反射光的光强；Ｉ２ 为光经过激光玻璃与包边界面反射后又折射出表面的光

强；Ｉ３ 为光经过包边与空气的界面反射后，又折射出表面的光强。

４ 结 论

本文对采用包边材料来抑制激光玻璃自发辐射放大和寄生振荡效应的方法进行分析，得到了以下几点结论：

（１）包边材料与激光玻璃的折射率匹配关系：在硬包边情况下，包边材料的折射率ｎ２ 必须大于基体激光玻璃的折射率ｎ１，且二者的差值体现在小数点后的第三位；在软包边情况下，激光玻璃（ｎ１）、包边材料（ｎ２）、光学胶（ｎ３）三者之间的折射率要满足ｎ２＞ｎ３ ＞ｎ１，此外在软包边时还要保证在包边的界面层没有任何的残余气孔，因为气孔的存在会使剩余反射率大大的提高。

（２）提出采用分光光度计测量的方法计算剩余反射率：根据光在基体激光玻璃、包边材料、空气界面之间的传播模型设计了测量反射率的模型，分别讨论了在软包边和硬包边情况下剩余反射率的计算方法，并推导出相应的计算公式，最后综合二者得到了普适的计算剩余反射率的公式。