CN102870293A - 用于高功率激光系统的多程放大器架构 - Google Patents

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玛丽·路易斯·斯佩思
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Abstract

一种主放大器系统包括第一反射器，第一反射器用于通过第一孔径接收输入光并沿着光学路径引导输入光。输入光的特征在于第一偏振。该主放大器系统还包括第一偏振器，第一偏振器用于反射特征在于第一偏振状态的光。该主放大器系统还包括第一组和第二组放大器模块。第一组和第二组放大器模块中的每个放大器模块包括进入窗口、四分之一波片、彼此基本上平行地排列的多个放大器小板条以及退出窗口。该主放大器系统还包括一组面镜和第二偏振器，该组面镜用于反射退出第一组放大器模块的光使之进入第二组放大器模块，第二偏振器用于反射特征在于第二偏振状态的光。

Description

用于高功率激光系统的多程放大器架构
对相关申请的交叉引用
本申请要求在2010年3月26日提交的标题为“Multi-pass AmplifierArchitecture for High Power Laser Systems”的美国临时专利申请号61/318,136的优先权，为了所有的目的，其全部公开内容在此通过引用被并入本文中。
根据联邦资助的研究和开发作出的发明的权利声明
由于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore NationalLaboratory）的运作，按照美国能源部和劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司（Lawrence Livermore National Security，LLC）之间的合同号DE-AC52-07NA27344，在本发明中美国政府拥有权利。
背景技术
能源信息机构和目前的联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）做出的情景推断预期到2030年为止全球电力需求将翻倍，从现有的大约2万亿瓦电力（TWe）量增加到4TWe,并且到2100年为止可达到8-10TWe。他们还预测在未来的30到50年，大量的电力生产的需求将由化石燃料所提供，主要是煤和天然气。目前，煤供应全球电能的41%，并且预计到2030年为止供应全球电能的45%。此外，IPCC最新的报告已经提出了进入大气层的人造二氧化碳排放源在地球的气候方面具有显著的影响的90%可能性。“一切照常”基准场景表明到2050年为止，二氧化碳的排放量可能几乎是现有水平的2.5倍。当试图稳定和减少大气层中的二氧化碳浓度及减轻随之而来的天气变化时，为满足发达国家和发展中国家的日益增长的能源需求，新技术和替代性的能源比以往任何时候都重要。
核能是无碳排放能源，自1950年开始，核能已经成为全球能源生产的重要组成部分，目前占全球电力生产的大约16%，原则上，这个分数是增长的。然而，一些因素使得其长期持续性变得难以满足。所述原因包括核材料扩散的危险和核燃料循环的技术；长寿命的放射性核废料的生成需要深埋在地质储藏库中；对一次性通过开放核燃料循环的目前依赖；以及低成本，低碳的铀矿覆盖区的可用性。只在美国，核反应堆已经产生了多于55,000公吨（MT）的已使用过的核燃料（SNF）。在不远的将来，我们将拥有充足的已使用过的核燃料以填充Yucca山地质废料库到其法定的上限70,000MT。
对于未来的能源产生，聚变是有吸引力的能源选择，正在开发的聚变能源站有两种主要的方法。第一种方法，惯性约束聚变（ICF）使用激光，重离子束，或者脉冲能源以快速地压缩包含氘（D）和氚（T）的容器。随着容器范围的减少，DT气体密度及气体温度增加，DT聚变反应在压缩的容器的中央的小斑点中发起。所述DT聚变反应产生α粒子和14.1兆电子伏特（MeV）中子。从所述斑点的前方聚变，生成显著的能量增益。第二种方法，磁聚变能源（MFE）使用有效的磁场以限制DT等离子体并且生成维持等离子体聚变和生成能量增益所需要的条件。
ICF的重要技术正主要地在加利福尼亚州利弗莫尔市的本发明代理人劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火设施（NIF）发展。在那里，被设计为实现热核聚变点火和燃烧的基于激光的ICF项目利用1到1.3MJ的激光能量。预计正常可达10到20MJ的聚变产量。如果聚变技术自身被用于高性价比的能源产生，在中心热点聚变几何形状中预计需要超过200MJ的聚变产量。这样，单纯通过纯ICF能量实现激励经济还有显著的技术挑战。
除了ICF应用之外，还广泛关注用于材料处理、钻孔、切割和焊接、军事应用等的高平均功率激光器的领域。许多在高平均功率下已被证明了的激光器已工作在连续波（cw）模式，但是还关注亦能够产生高平均功率的重复率（rep-rated）脉冲式激光器。
发明内容
本发明一般地涉及激光系统。更具体地，本发明涉及使用三维放大器几何生成高功率激光束的方法和系统。仅作为示例，本发明已应用于这样的放大器组件：所述放大器组件利用正被放大的束的偏振状态来沿着预定的光学路径引导束通过多个放大器级。在特定的实施例中，在这里说明的三维放大器几何使得能够使用以比最后经放大的束的功率水平小的功率水平工作的电子光学开关来执行寄生模式的抑制。所述方法和系统可被应用于各种各样的其他激光放大器架构和激光系统。
根据本发明的实施例，提供了一种主放大器系统。该主放大器系统包括：第一反射器，第一反射器用于通过第一孔径接收输入光并沿着光学路径引导输入光。输入光的特征在于第一偏振。该主放大器系统还包括沿着光学路径布置的第一偏振器。第一偏振器用于反射特征在于第一偏振状态的光。该主放大器系统还包括沿着光学路径布置的第一组放大器模块和沿着光学路径布置的第二组放大器模块。第一组放大器模块中的每个放大器模块包括进入窗口、四分之一波片、彼此基本上平行地排列的多个放大器小板条（slablet）以及退出窗口。第二组放大器模块中的每个放大器模块包括进入窗口、四分之一波片、彼此基本上平行地排列的多个放大器小板条以及退出窗口。该主放大器系统还包括一组面镜（mirror）以及沿着光学路径布置的第二偏振器，该组面镜用于反射退出第一组放大器模块的光使之进入第二组放大器模块。第二偏振器用于反射特征在于第二偏振状态的光。该主放大器系统还包括沿着光学路径布置并且用于引导光通过第二孔径的第二反射器。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种放大输入脉冲的方法。该方法包括：通过第一孔径、沿着放大器系统的束线接收具有第一偏振状态的输入脉冲，从输入镜反射输入脉冲，并且作为输入脉冲具有第一偏振状态的结果而从第一偏振器反射输入脉冲。该方法还包括：将第一偏振状态转换成第一中间偏振状态，放大输入脉冲以提供具有第一中间偏振状态的放大脉冲，并且将具有第一中间偏振状态的放大脉冲转换成具有第二偏振状态的放大脉冲。该方法还包括：作为放大脉冲具有第二偏振状态的结果而使放大脉冲通过第一偏振器，并且作为放大脉冲具有第二偏振状态的结果而使放大脉冲通过第二偏振器。该方法还包括：将第二偏振状态转换成第二中间偏振状态，对放大脉冲进行放大以提供具有第二中间偏振状态的输出脉冲，并且将第二中间偏振状态转换成第一偏振状态。此外，该方法包括：作为输出脉冲具有第一偏振状态的结果而从第二偏振器反射输出脉冲，从输出镜反射放大脉冲，并且沿着放大器系统的束线引导具有第一偏振状态的输出脉冲通过第二孔径。
本发明的实施例组合了从具有四倍式架构的激光器中的四程能量提取的效率以提供新的重复率激光系统架构。此处说明的设计减少或消除了对高平均功率光学开关的需求，因为高能量激光系统中的各个束线按照每秒很多个多千焦脉冲被比例缩放，同时保持激光提取效率并且增强激光系统紧凑性。
与传统的技术相比，本发明获得了许多益处。例如，本发明的实施例提供了有助于激光惯性裂变引擎（LIFE）应用并且有助于为产生超短的激光脉冲而泵浦各种激光介质的激光系统，所述LIFE应用包括纯裂变LIFE引擎、脉冲平均功率激光器的其他用户。此外，本发明的实施例提供了以所存储的能量、具有使用传统设计不可获得的性能特性的高平均功率工作模式工作的激光系统的架构。本发明的实施例使得能够四程放大四倍之一内的束，而不必要使用大孔径光学开关。此外，本发明的实施例使得能够使用放大器板条（例如，小板条）、窗口和/或四分之一波片之间的空间进行受压气体冷却。在特定的实施例中，冷却流动速率适当地低，使得窗口上的多种抗反射涂层、板条和四分之一波片可以被使用，包括溶胶-凝胶、硬化的溶胶-凝胶、或氨硬化的溶胶-凝胶涂层。
此外，本发明的实施例提供了放大器系统，通过允许放大器小板条紧密包装在一起，总体激光放大器可以在长度上短。在利用了紧密包装的放大器小板条配置的实施例中，可以使用所述小板条的边缘来泵浦激光小板条。边缘泵浦配置所提供的益处是：使用激光放大器小板条的梯度掺杂，激光束的输出轮廓可被优化。此外，本发明的实施例的特征在于：相比于使用线性偏振，由于圆偏振的使用，激光放大器小板条的非线性指数被减小了2/3。此外，通过在相比于放大介质的整体长度的短距离内集中光学元件，BT增益谱可被转换到较大的角度，允许更容易的移除寄生模式。进一步的，本发明的实施例激活继电器成像而不需要另外的腔压缩，并且角度区分反射器（比如Rugate）可被用以移除高角度寄生激光模式。对特定应用适合的是在此说明的激光器架构适合于校正器片，自适应光学系统以及空间光束形状的使用以减轻双折射、相位缺陷和幅度误差。另外，本发明的实施例的紧凑特性允许相称于LIFE惯性裂变能量（IFE）能量站规模的激光器模块的装配。结合以下的文本和附图更详尽的说明本发明的这些和其他的实施例连同其特点和特征。
附图说明
图1示出了NIF束线的简化的示意图；
图2示出了NIF束线的简化的展开视图；
图3示出了根据本发明的实施例的多程放大器的简化的展开视图；
图4A示出了根据本发明的实施例的多程放大器的三维视图；
图4B示出了根据本发明的实施例的说明通过多程放大器的光线追踪路径的三维透视图；
图4C示出了根据本发明的实施例的从第一方向观察到的多程放大器的三维透视图；
图4D示出了根据本发明的实施例的从第二方向观察到的多程放大器的三维透视图；
图5示出了根据本发明的实施例的说明多程放大器的上半部分的简化的示意图；
图6示出了根据本发明的实施例的包括偏振的多程放大器的上半部分的简化的示意图；
图7示出了根据本发明的实施例的包括泵浦光注入系统的多程放大器的侧视图；
图8示出了根据本发明的实施例的说明间隙辐射放大器小板条的方法的透视图；
图9示出了根据本发明的实施例的说明两程放大器架构的简化的示意图；
图10示出了根据本发明的实施例的说明一组两程放大器架构的集成的简化的示意图；
图11示出了说明具有低功率PEPC的单孔径四程设计的简化的示意图；以及
图12示出了在图11中说明的系统的未卷绕版本。
具体实施方式
本发明一般地涉及激光系统。更具体地，本发明涉及使用三维放大器几何放大高功率激光束的方法和系统。仅作为示例，本发明已应用于这样的放大器组件：所述放大器组件利用正被放大的束的偏振状态来沿着预定的光学路径引导束通过多个放大器级。在特定的实施例中，在这里说明的三维放大器几何使得能够使用以比最后经放大的束的功率水平小的功率水平工作的电子光学开关来执行寄生模式的抑制。所述方法和系统可被应用于各种各样的其他激光放大器架构和激光系统。
图1示出了NIF束线的简化的示意图，如图1所示，来自主振荡器和光纤耦合预放大器的光在传输空间滤光器（TSF）处被注入到束线中。最初，光通过功率放大器传播并从LM3反射。然后所述光从偏振器反射并开始四程通过主放大器中的第一程。最初，偏振开关处于使朝着主放大器传播的光通过的状态。在第一程通过主放大器并从可变形面镜（LM1）反射之后，所述光第二程通过主放大器。到光返回到偏振开关时，偏振开关改变光的偏振，使得其与偏振器对准，其通过偏振器并从LM2反射。然后所述光又两程通过主放大器，所述光的偏振再次被偏振开关改变，并从偏振器和LM3反射以第二程通过功率放大器。这样，NIF架构利用了两程通过功率放大器和四程通过主放大器。
图2示出了NIF束线的简化的展开视图。展开视图的分析说明了在四程通过主放大器中的每一程，放大脉冲穿越相同的光学元件。
如图1所示的架构重复率被增加到一些赫兹的重复率，可能偏振开关将需要被主动冷却。在一种实施中，偏振开关是等离子体电极普克尔盒（PEPC）。应该注意到在四程通过主放大器和两程通过功率放大器之后在TSF焦点处的光密度将是1018W/cm2的量级。因此溶解，固化，消融，腐蚀，蒸汽生产是在图1中说明的架构的高重复操作中出现的问题。
在共同转让的2008年9月30号提出的国际专利申请号PCT/US2008/011335，其全部内容在此通过引用被并入本文中，如其所讨论，一些LIFE系统利用具有被小距离间隔开的小板条的升压放大器以允许在每对小板条之间具有冷却通道。在所述设计中，使用小板条，而不是单个的板条，因为小板条更容易被冷却，并且如果必要更容易被替换。为维持合适的温度，所述小板条在窗口之间被包围，并且氦在小板条之间被抽运，例如，在垂直于小板条表面的方向。小板条的使用增加了需要被磨光的表面的数量，并且因此增加了增益介质的表面面积。由于光通过重复地通过表面缺陷，表面缺陷是附加的，发明者已经确定更可取的是避免光多于一次通过在增益介质的相同部分。
图3示出了根据本发明的实施例的多程放大器300的简化的展开视图。如图3所示，来自主振荡器310和预放大器312的光以S偏振被注入到功率放大器314中。具有S偏振（也称为水平偏振）的第一束线的注入可恰好发生在结合多程放大器300使用的TSF的针孔平面之前。光进入包括小板条316的第一放大器并通过四分之一波片（QWP）318，该四分之一波片将S偏振光转换成圆偏振光。与使用布儒斯特角处的板条的设计相反，圆偏振光通过以法向入射定位的小板条316。小板条316被定位在窗口320a和320b之间，以使得能够使用上述讨论的氦和其他适合的冷却剂气体来冷却小板条316。通过其中束线以法向入射经历增益的放大器/增益小板条（也称为放大器板条、增益板条或小板条）提供了非线性指数从初始值下降2/3、由此降低了△B的益处。因此，本发明的实施例利用了可称为“法向放大器”的放大器模块，因为光以法向入射来入射在放大器小板条上。如下面更充分的讨论，法向放大器（也称为放大器模块）包括多个放大器小板条316、四分之一波片318和可选的窗口320a/b，所述窗口全部被标称地定位成与传播通过所述窗口的束呈法向入射。根据特定的实施，每个放大器模块中的小板条的数目范围可从大约10个小板条到大约100个小板条。在特定的实施例中，可利用50到60之间的小板条。
在通过第一放大器模块之后，束使用例如可以是介电面镜或角度区分反射器的一组反射器325a和326b来被反射进入第二放大器模块。第二和后续的放大器模块与第一放大器模块共享公共元件。为清楚和简明的目的，以下的说明可能会，也可能不会讨论类似的元件。在所说明的实施例中，放大器模块包括一组窗口（其可与下述的其他放大器模块所共享）、QWP和一组放大器小板条。按照特定应用所需要的，放大器模块可包括其他元件。本领域中的普通技术人员可识别许多变化、修改和替换。
如图3所示，在使放大通过第二放大器模块中的小板条330后，QWP332将光转换成P偏振（也称为竖直偏振）。然后，光通过被对准以使P偏振状态通过的偏振器334，并被一组面镜336a和336b反射，如下面所述。该组面镜可以是介电面镜、角度区分反射器等。所述光（处于P偏振状态）通过另一偏振器338并且传播到第三放大器模块的入口。
与包括小板条316的第一放大器模块相同，QWP被定位在第三放大器模块的入口处，以将光从P偏振状态转换成圆偏振。如图3所说明，在放大通过第三放大器模块中的放大器小板条期间，光被圆偏振。可以是介电面镜、角度区分面镜等的另一组面镜342a和342b被用来形成第三和第四放大器模块之间的光学路径。通过第四放大器模块中的QWP 350，光被转换回到S偏振，在以S偏振第四程放大通过之后退出。S偏振光从偏振器360和面镜362反射，在该处被指向PA 370，PA 370可包括以布儒斯特角定向的一组放大器小板条（或板条）。通过使用小板条，只有单个组窗口被用于每个放大器模块，而不是一组窗口被用于每个板条。在一些实施例中，多个放大器模块可被组合在单个冷却外壳中，这可以减少窗口的数目。在一些实施例中，功率放大器314和功率放大器370是用于提供经最初放大的光到第一放大器模块、并且从第四放大器模块接收经放大的光的相同功率放大器。在如图3所说明的实施例中，主放大器（MA）放大部分包括上述讨论的四个放大器模块。
如下面更充分说明应注意到，另外的束线可被注入到放大器系统中，例如，第四束线可被注入到图3底部的TSF中，在相反方向上、以相对于图3中说明的第一束线的小角度传播。
参考图3，说明了一些可选的元件。可选的双折射补偿器可被定位在第一和第二放大器模块之间以及第三和第四放大器模块以补偿在放大束中累积的双折射。两个位置的双折射补偿器都是可选的。另外，可以在第二放大器模块和第三放大器模块之间插入“低功率”开关。相比于在通过第四放大器模块之后的束强度，使用术语“低功率”。由于在第二放大器模块之后可利用可选的开关，所以与在第四放大器模块之后相比功率显著更小，使得适合于在与通过第四放大器模块的放大通过所关联的功率相比更低的功率处使用的开关能够被使用。
图4A示出了根据本发明的实施例的多程放大器系统400的三维视图。图4A中说明的架构与图3中说明的展开架构相关。如下所说明的，图4A中说明的放大器系统提供“四倍”即四个法向入射放大器模块（460，461，462，且一个未示出），其中，经放大的束共享元件。图4A中说明的多程放大器不包括主振荡器310、预放大器312、或图3中说明的功率放大器314/370。当然，取决于特定的实施，所述另外的光学系统可与多程放大器集成。图4A中说明的元件也可被称为主放大器系统400。
光作为S偏振光进入多程放大器系统400（例如，通过孔径1），并从面镜410反射。然后，S偏振光从偏振器420朝着第一放大器模块460反射，其包括围绕QWP的一组窗口和多个放大器小板条（参见例如图3中与放大器模块有关的另外的说明）。光通过QWP并被转换成圆偏振。在从面镜450a和面镜450b（组成45°面镜组450）反射之后，光通过第二放大器模块461。第二放大器模块461还包括例如在与面镜450b相反的端部的QWP，其转换光到P偏振。在P偏振中，光（在两程放大通过之后）通过定位在偏振器420之下的偏振器（未示出），并从45°面镜组（未示出）反射。然后光通过被定位在偏振器422下方并且与P偏振光对准的偏振器（未示出）。由于放大器架构的三维性质，同时考虑彼此结合的图3和图4有助于理解本发明的实施例。
光然后再进行两程放大通过，第一程通过第三放大器模块（未示出）和第四放大器模块462。第三和第四放大器模块包括在45面镜组456的相反侧的QWP，其将光从P偏振转换成圆偏振（在放大期间）然后转换成S偏振。退出第四放大器模块462的S偏振光从偏振器422朝着面镜412反射，在该处其被反射出主放大器系统。因此，本发明的实施例提供了不需要使用开关的、具有四程放大通过的放大器系统。如关于本发明的一些实施例所说明的，例如，在第二放大通过之后，可以可选地使用开关，以改进系统性能。本领域的普通技术人员将识别许多改变、修改和替换。
参考图4A，沿着一个束线的光将进入第一孔径（例如，导向面镜410的孔径-孔径1）并在另一孔径（例如，在面镜412下游的孔径-孔径4）处退出。对于利用4个束线的实施，每个束线将在一个孔径处进入并在另一孔径处退出。例如，进入孔径4的束将在孔径1处退出。另外，束线关于彼此倾斜小角度（例如，毫弧度）以提供沿着轻微不同的束路径传播的多程。束线可被倾斜其他的角度，例如，角度范围从大约1毫弧度到大约3毫弧度，或者低于1毫弧度。因此，本发明的实施例提供具有四程几何形状的放大器架构，其中，每个束只单程通过每个放大器模块。另外，在图4中说明的实施例中未使用偏振开关。在四束实施例中，由于四束中的每个束单程通过四放大器模块中的每个放大器模块（即，四束和对于每束的四程放大），四束被放大，这适合于提供具有合理的规模前端的高功率输出。本领域的普通技术人员可识别许多变化，修改，和替换。
在一个实施例中，四个束线被使用：
束线1进入TSF1并从TSF4退出
束线4进入TSF4并从TSF1退出
束线2进入TSF1并从TSF3退出
束线3进入TSF4并从TSF2退出
本发明的实施例提供了对于使用传统架构不可用的益处，包括减少沿着光学路径使用的望远镜的数目。作为示例，比较图3和图2，充当腔空间滤光器（CSF）的望远镜未在图3中说明的架构中示出。作为消除CSF提供的规模减少的示例，在NIF中，由于整个光腔长度为44米，CSF转播图像平面大约22米（等于CSF望远镜的长度），然而在一些实施例中，图4中说明的整体的主放大器系统被包装到长度大约6米的模块中。另外，相比于传统架构，本发明的实施例减少了渐晕损失。
另外，本发明的实施例减少了涉及束净化议题的问题。因为未使用光开关并且如图4所说明的光学元件更紧密地排列，需要较少的束净化。只使用TSF和/或在面镜上的窄幅角度涂层或在系统中出现的其他光学元件，在一些实施例中可履行束净化。作为示例，角度区分涂层可被在沿着包括面镜和/或偏振器的束路径的一个或更多反射或透射光学器件上所使用。因此，各种绝大部分的角度区分光学器件是可用的选择并且在焦点不需要发生过滤，但是在大孔径上课执行区分，无论作为涂层或作为大部分材料，都更容易散热。因此，如果空间滤光器被使用，使用大孔径角度区分可用减少任何其他的在系统中使用的空间滤光器的负载。
在特定的应用中适合的是，图4A中说明的四个放大器模块（示出了460，461和462）可被包装在两个或更多个分开的冷却外壳或单个冷却外壳中。
图4B示出了根据本发明的实施例的说明光线追踪路径通过多程放大器的三维透视图。在图4B中说明的三维透视图共享在图4A中说明的一些公共元件。如图4B中所说明，放大器模块还可以通过被定向为在水平平面上、而不是图4A中说明的竖直平面上提供两程放大通过（例如，束1和束2）的45度面镜来耦合。因此，通过放大器模块471的光被反射器450e和450f朝着放大器模块470反射。
图4C示出了根据本发明的实施例的从第一方向观察到的多程放大器的三维透视图。图4D示出了根据本发明的实施例的从第二方向观察到的多程放大器的三维透视图。在图4C和图4D说明的多程放大器与图4A和图4B说明的放大器系统共享公共元件，并且为了清楚和简明的目的，其未被标记。
图5示出了根据本发明的实施例的说明多程放大器的上半部分的简化的示意图。如下面所说明的，在一些实施例中，两个另外的放大器模块（未示出）完成了四放大器模块系统。在图5中，说明了四倍之一的束线中的单个束线，示出了两个放大器模块560和562（法向放大器）。这些法向放大器可与在图3中讨论的第一和第二放大器模块相比。光进入具有S偏振（570）的放大系统，从面镜510反射并从偏振器520反射。输入光通过围绕四分之一波片（QWP）530和该组放大器小板条540的窗口之一（窗口565）。QWP 530将具有S偏振的光转换成圆偏振，并且束被放大器小板条540所放大。光基本上以法向入射到第一放大器模块560中的QWP和放大器小板条。在第一程放大通过之后，光被45度面镜550反射到在该图的平面之后的第二放大器模块（未示出）。光进行第二程放大通过并且被第二放大器模块中的QWP转换成P偏振。由于光处于P偏振状态，其通过延伸到该图的平面之中和之后的偏振器520，并从45度面镜552和554反射。偏振器520还可以是沿着该图的平面的法线堆叠的两个偏振器。
处于P偏振状态的光通过偏振器522（在该图的平面之后延伸，或者定位在该图的平面之后的偏振器）并进入该图的平面之后的第三放大器模块（未示出）。第三放大器模块中的QWP将光转换成圆偏振并在放大之后，所述光被45度面镜组566反射以入射在第四放大器模块562上。在第四程放大通过之后，光被QWP 514转换成S偏振并从偏振器522和面镜512反射以退出系统。虽然进入孔径570被标记为“入”，退出孔径572被标记为“出”，应理解的是，在多束系统（例如，四束系统）中，第二束线将进入孔径572并在孔径570处退出。因此，“入”和“出”只适用于多个束线中的一个。
图6示出了根据本发明的实施例的说明了包括偏振开关的多程放大器的上半部分的简化的示意图。图6中说明的多程放大器系统与图5中说明的多程放大器系统共享公共元件，并且为了清楚和简明的目的，公共元件不是必需说明的。如图6所说明，在光通过两个放大器模块之后，可以是诸如PEPC的半波开关的开关605被插入到光学路径中。在“关断”状态，半波开关将担当半波片，由此阻挡光透射过该系统。当提取脉冲是适当的时，开关将被赋能到“接通”状态，在“接通”状态下所述开关将是零波片，由此允许提取脉冲通过与脉冲的偏振对准的偏振器。尽管示出了开关处在包含两个放大器模块360和362的平面内，应理解的是，顶平面内的开关对于在位于该图的平面之后的平面内开始和结束的束线而言将是有效的。在该图的平面内进入和退出的束线的开关将被放置在该图之后的平面内。
将开关605放置在第二和第三放大器模块之间的位置使得可能降低放大效率的经放大的自发发射（ASE）和其他不需要的光（来自闪光的散光）能够在最多两程通过放大器模块之后被阻挡。对于一些应用，与两程相关联的能流小于或等于约100焦。因此，开关605经历的能流比图1中说明的偏振开关经历的能流小得多。对比图1和图6，图1中的偏振开关的放置导致对与四程放大（~10KJ）相关联的完整能流的暴露，比在两程放大之后的开关605经历的能流高几个数量级。开关605经历的较低的能量使可使用开关的多个选择，包括普克尔盒（Pockels cell），使用例如，使用铟/锡/氧化物涂层（参见，例如，W.T.Pawlewicz,I.B.Mann,W.H.Lowdermilk和D.Milam,Laser-damage-resistant transparent conductive indiums,tinoxide coating,Appl.Phys.Lett.34(3),1 Feb.1979）制成的透明电极，所述透明电极被证明是厘米级（参见，例如，M.D.Skeldon,M.S.Jin D.J.Smith和S.T.Bui，Performance of longitudinal mode KD*P Pockels cells withtransparent conductive electrodes,SPIE Vol.1410 Solid State Lasers Ⅱ(1991)），其他适合的透明电极等。
图7示出了根据本发明的实施例的包括泵浦光注入系统的多程放大器的侧视图。图7中说明的多程放大器与图5中说明的多程放大器共享公共的元件，并且为了清楚和简明的目的，不必说明公共元件。图7说明了放大器模块和45°面镜组引导光束进入该图的平面之后的该组放大器模块。在图7说明的实施例中，使用二色面镜注入泵浦光以使得能够放大沿着与光束对准的方向对放大器小板条的面泵浦（法向入射）。用来引导经放大的束的偏振器和面镜的位置可被调整以允许被用来泵浦增益介质的二色面镜710的放置。图7中说明的设计使得泵浦光能够到达增益介质，同时仍保持经放大的光束的高效率。
光学集中器或各类型的管道可被用于引导二极管泵浦光进入放大器端面和/或边。激射物浓度和小板条厚度沿着放大器部分的长度变化以在可接受的容限内保持热致相失真和热感应应力双折射。
图8示出了根据本发明的实施例的说明了间隙泵浦放大器小板条的方法的透视图。尽管如图3和在此描述的其他图中说明通常使用多个小板条，在图8中，说明了单个放大器小板条。
以大致圆锥形成形的散热片810被附着到放大器小板条820的顶表面。类似的散热片811被附着到放大器小板条的底部边缘。所述散热片提供了增强被用作冷却流体的高压氦的流动的空气动力环境。在所说明的实施例中，氦向上流动经过放大器小板条820和散热片810和811。
放大器小板条具有被定位在放大器小板条的边缘周围的边缘覆层830，用于收集传播穿越小板条的ASE。在所说明的实施例中，通过循环水经过边缘覆层冷却通道832来冷却边缘覆层830。泵浦光以垂直于经放大的光的传播方向的方向入射经过管道840。所述管道将小板条彼此分开，其中在小板条之间有供冷却气体流过的间隙。
在特定的实施例中，管道840的特征在于预定的尺寸，例如，板厚度大约3mm，长度大约40cm。管道与边缘覆层有重叠并且在小板条之间形成间隔。泵浦光在小板条之间定位的管道的内表面退出管道并且传播进入在相邻小板条之间的区域。因为当泵浦光退出管道或管道表面的设计时，所述光发生衍射，泵浦光进入具有一定范围的角度的间隙区域。由于在放大器小板条之间的较低折射率区域的光入射到更高折射率小板条，泵浦光被耦合到放大器小板条以提供增益。
放大器小板条的面可被蚀刻或否则被增强以增加从间隙区域进入放大器小板条的泵浦光的耦合。因此，尽管使用蚀刻，对于法向入射光，放大器小板条可以被AR涂层覆盖，通过溶胶-凝胶层或等，其可通过所述面吸收泵浦光。作为示例，小板条的面可用不规则模式或其他合适的处理来蚀刻以通过散射，偏转，或等增加进入放大器小板条的泵浦光的耦合。
在一些实施例中，管道的输出表面可被倾斜以使所述管道的数值孔径与放大器小板条耦合系数相匹配，以提供穿越放大器小板条的泵浦光的均匀吸收。如上述讨论，当从某个角度看温和散射和在法向入射处作为AR涂层的架构可被使用有效耦合泵浦光到放大器小板条，而还提供在受损表现方面的高质量涂层。根据一些实施例，连接到半导体激光器的光纤耦合器还可被使用以置换或补充管道840。
图9示出了根据本发明的实施例的说明了两程放大器架构的简化示意图。如在图9中所说明，可实现这样的两程架构：该两程架构不包括开关（例如，PEPC）以阻止ASE或大孔径法拉第旋光器。在图9和本发明的其他实施例中使用的放大器小板条能够被定位以接收基本上法向入射的光（不在布儒斯特角处）和抗反射（AR）涂层光，或者可被定位以接收在布儒斯特角处的光以及非AR涂层光。图10示出了根据本发明的实施例的说明了一组两程放大器架构的集成的简化示意图。在图10中说明的实施例中，两个两程束线可被堆叠和共享，使得激光脉冲不多于一次地横贯相同的光学元件。
参考图9，光以S偏振通过TSF 910进入系统。光被功率放大器912放大，在所说明的实施例中，功率放大器912包括被定位在布儒斯特角度处的多个小板条。在从面镜914反射之后，输入光从偏振器920反射，偏振器920被对准以反射S偏振的光并且使P偏振的光通过。然后反射光被QWP 922转换成圆偏振。在从面镜924反射之后，第二程通过QWP 922将光转换成P偏振，其使得光能够通过偏振器920并进入CSF 930。在一些实施例中为可选的CSF对光进行滤光以改善束质量。P偏振的光第一程通过主放大器932，在说明的实施例中，主放大器932包括以布儒斯特角定向的多个小板条。在从面镜934反射之后，光第二程通过主放大器以实现两程放大通过。经放大的光通过可选的CSF 930、偏振器920并且被QWP922转换成圆偏振光。在最后从面镜924反射之后，QWP将光转换成S偏振，当其开始从放大系统退出时，其从偏振器920朝着面镜914反射。
参考图10，光进入堆叠的放大器对并从面镜1010反射。S偏振的光从偏振器1024反射，并且两程通过QWP 1022（在从面镜1020反射之前和之后），从而将S偏振状态的光转换成P偏振。然后，光通过偏振器1024并且在通过主放大器1026期间被放大。然后，光在从面镜1028和1038反射之后被导向第二主放大器1036。
当光通过主放大器1036时，光被第二次放大。两次放大的P偏振光通过偏振器1034，在两程通过QWP 1032（以及从面镜1030反射）之后被转换成S偏振，并且通过从偏振器1034和面镜1040反射而被反射出放大器系统。因此，对于图10中说明的束线而言，每个放大器是单程放大器。在图10中说明的实施例中，另一束线可以以相反方向从输出传播到输入。本领域的普通技术人员可识别许多变化、修改和替换。
图11示出了说明具有“低功率”PEPC的单孔径四程放大器设计的简化的示意图。如上述所讨论，术语“低功率”是相比较于在此说明的光学系统的最后输出功率。图11中说明的放大器与在图9中说明的放大器系统共享公共元件并且为了清楚和简明的目的，不必说明公共元件。如在图11中所说明的，要被放大的光以S偏振被注入并从偏振器朝着QWP反射，QWP将光转换成圆偏振。光在第一程放大通过期间通过小板条并通过光学双折射补偿器。在第二程放大通过小板条之前，光被回反射从而通过可选的双折射补偿器。QWP将该偏振转换成P偏振，使得光（已经历了两程放大通过）朝着低功率开关通过偏振器。开关被操作以使光通过，使得光可朝着小板条回反射。在光在反射后通过开关之后，开关可被关闭。
然后光通过偏振器和QWP，其将光转换成圆偏振。在另外的两程放大通过小板条（以及潜在的双折射补偿器）之后，光被QWP转换成S偏振并从偏振器反射以退出放大器系统。图12示出了图11中说明的系统的未卷绕版本，说明在四程放大通过期间的光学路径。低功率开关使得能够使用以比最后经放大的束的功率水平低的功率水平工作的电子光学开关来执行寄生模式的抑制。在图11和图12说明的实施例中，在四程放大通过中的两程之后，执行寄生模式抑制。尽管在此在放大器应用的背景下讨论本发明的实施例，激光应用也被包括在本发明的实施例的范围内。
在图9-12说明的实施例可以不使用相关于图4A-4D讨论的三维架构，而是在放大器模块不必要排列在两个维度中的意义上可以特征在于两维架构。参考图4D，放大器模块在与在放大器模块中正被放大的光的传播方向基本上正交的平面内被排列为2×2阵列。在图9-12中说明的实施例中可能不需要该几何。因此，图9-12中说明的实施例可以被认为是在图4A-4D中说明的更一般的三维几何的子集。本领域的技术人员将识别许多变化、修改和替换。
在一些实施例中，可能期望包括如图3和图11中所示的双折射补偿器。应力感应双折射可能引起通过激光放大器的激光脉冲的空间依赖性的去极化。可能需要添加补偿片以反转放大器通过之间的去极化符号，以便允许相同失真的后续放大器校正偏振状态。
还可理解的是，在此说明的示例和实施例只为说明性的目的，在光方面的各种修改或改变将被推荐给本领域的技术人员并且被包括在本申请的精神和范围和附加的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种主放大器系统，包括：
第一反射器，所述第一反射器用于通过第一孔径接收输入光并沿着光学路径引导所述输入光，其中，所述输入光的特征在于第一偏振；
第一偏振器，所述第一偏振器沿着所述光学路径布置，其中，所述第一偏振器用于反射特征在于所述第一偏振状态的光；
第一组放大器模块，所述第一组放大器模块沿着所述光学路径布置，其中，所述第一组放大器模块中的每个放大器模块包括：
进入窗口；
四分之一波片；
彼此基本上平行地排列的多个放大器小板条；以及
退出窗口；
第二组放大器模块，所述第二组放大器模块沿着所述光学路径布置，其中，所述第二组放大器模块中的每个放大器模块包括：
进入窗口；
四分之一波片；
彼此基本上平行地排列的多个放大器小板条；以及
退出窗口；
一组面镜，该组面镜用于反射退出所述第一组放大器模块的光使之进入所述第二组放大器模块；
第二偏振器，所述第二偏振器沿着所述光学路径布置，其中，所述第二偏振器用于反射特征在于第二偏振状态的光；以及
第二反射器，所述第二反射器沿着所述光学路径布置并且用于引导光通过第二孔径。
2.根据权利要求1所述的主放大器系统，还包括用于减轻相位误差或偏振误差中的至少一个的校正器片。
3.根据权利要求1所述的主放大器系统，其中，所述光学路径从所述第一孔径延伸到所述第二孔径。
4.根据权利要求1所述的主放大器系统，还包括光学耦合到所述主放大器系统的输入孔径的功率放大器。
5.根据权利要求1所述的主放大器系统，其中，所述多个放大器模块包括四个放大器模块。
6.根据权利要求1所述的主放大器系统，其中，所述多个放大器模块中的每个放大器模块被气体的流冷却。
7.根据权利要求6所述的主放大器系统，其中，所述气体包括氦。
8.根据权利要求1所述的主放大器系统，其中，所述第一偏振状态包括S偏振，且所述第二偏振状态包括P偏振。
9.根据权利要求1所述的主放大器系统，其中，所述第一反射器包括用于第一束线的输入反射器和用于第二束线的输出反射器。
10.根据权利要求1所述的主放大器系统，还包括被定位在该组面镜中的面镜之间的开关。
11.一种放大输入脉冲的方法，所述方法包括：
通过第一孔径、沿着放大器系统的束线接收具有第一偏振状态的输入脉冲；
从输入面镜反射所述输入脉冲；
作为所述输入脉冲具有所述第一偏振状态的结果，从第一偏振器反射所述输入脉冲。
将所述第一偏振状态转换成第一中间偏振状态；
放大所述输入脉冲以提供具有所述第一中间偏振状态的放大脉冲；
将具有所述第一中间偏振状态的所述放大脉冲转换成具有第二偏振状态的放大脉冲；
作为所述放大脉冲具有所述第二偏振状态的结果，使所述放大脉冲通过所述第一偏振器；
作为所述放大脉冲具有所述第二偏振状态的结果，使所述放大脉冲通过第二偏振器；
将所述第二偏振状态转换成第二中间偏振状态；
放大所述放大脉冲以提供具有所述第二中间偏振状态的输出脉冲；
将所述第二中间偏振状态转换成所述第一偏振状态；
作为所述输出脉冲具有所述第一偏振状态的结果，从所述第二偏振器反射所述输出脉冲；
从输出面镜反射所述放大脉冲；以及
沿着所述放大器系统的所述束线引导具有所述第一偏振状态的所述输出脉冲通过第二孔径。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一偏振状态包括P偏振，且所述第二偏振状态包括S偏振。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一中间偏振状态包括第一旋向性的圆偏振，且所述第二中间偏振状态包括与所述第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一偏振状态转换成所述第一中间偏振状态包括：使所述输入脉冲通过四分之一波片。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，放大所述输入脉冲以提供放大脉冲包括：使所述输入脉冲以基本上法向入射角通过多个放大器小板条。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述放大器系统的所述束线包括从第一孔径延伸到不同于所述第一孔径的第二孔径的光学路径。
17.一种光学放大器系统，包括：
偏振器，所述偏振器用于沿着光学路径反射具有第一偏振状态的光；
四分之一波片，所述四分之一波片沿着所述光学路径布置；
反射器，所述反射器沿着所述光学路径布置；
放大器，所述放大器用于接收通过所述偏振器的光；以及
第二反射器，所述第二反射器用于反射经放大的光。
18.根据权利要求17所述的光学放大器系统，其中，所述放大器包括两程放大器。
19.根据权利要求17所述的光学放大器系统，还包括光学耦合到所述光学系统的输入孔径的功率放大器。
20.根据权利要求17所述的光学放大器系统，其中，所述放大器包括多个小板条，所述多个小板条用于容纳所述多个小板条之间的冷却气体的流。
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