CN104810720B - 一种高功率固体激光驱动器及其激光放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率固体激光驱动器及其激光放大方法，包括至少1个反射镜和至少3组激光放大系统，所述激光放大系统共同排列为多边形，所述激光放大系统包括放大器、空间滤波器、电光开关、控制电路、偏振透反镜和变形镜，所述控制电路与所述电光开关连接，按照激光的传播路径依次排列为：放大器、空间滤波器、电光开关、偏振透反镜、变形镜和下一组激光放大系统的放大器，所述反射镜与所述变形镜位于所述偏振透反镜的不同侧；种子激光通过反射镜导入放大光路后，在环形的光路中多程放大，需要输出时，向电光开关施加电压，激光通过反射镜射出，本发明有效提高增益介质中储能的提取率，提高驱动器整体的能量利用率，明显降低资源消耗。

Description

一种高功率固体激光驱动器及其激光放大方法

技术领域

本发明涉及高功率激光驱动器技术领域，具体而言涉及一种高功率固体激光驱动器及其激光放大方法。

背景技术

惯性约束聚变是一种将物质压缩并加热到高温高密度状态以实现可控热核聚变的科学技术。其所制造的物质状态属于高能量密度物理研究的范畴，通常需要建造大型的驱动器实现能量加载，如高功率激光驱动器、粒子加速器、Z箍缩装置等。目前在这些不同种类的驱动器技术中，只有激光驱动器最为成熟，能够为惯性约束聚变提供“点火”量级的驱动能量。因此，世界主要大国均开展了不同程度的激光聚变研究，并建造了一系列大型高功率固体激光驱动器，如美国的国家点火装置(National Ignition Facility)，法国的兆焦耳激光装置(Laser Megajoule)和中国的神光系列激光装置等。

依据设计时的点火物理需求分析，这些装置的建造输出能力均不高于2MJ。但从已建成的美国国家点火装置上开展的物理实验来看，1.8MJ的输出能力尚不能支撑“点火”目标的实现。为向“点火”目标更进一步，人类迫切需要更大能量的激光驱动器。美国国家点火装置已经计划在2017财年基于装置“内在能力”，以潜力发掘的方式将装置的输出能力由目前的1.8MJ提升到3MJ，以更好的支撑惯性约束聚变的研究。

从激光驱动器设计建造的角度出发，更大的输出能量可以通过提高驱动器规模得以实现。例如以美国国家点火装置为例，以目前192路激光输出1.8MJ的能力来说，只需将驱动器规模扩大到384路，并采用更大的靶室，就可在现有技术条件不发生改变的情况下达到3.6MJ的输出能力。但简单的扩大规模也带来造价和资源需求的线性扩大。美国国家点火装置造价超过40亿美元，如单纯扩大规模将造成造价的巨幅提升，从而带来难以承担的成本压力。

当前国际上主流激光驱动器设计均采用组合口径、多程放大的方式，即将多束激光排列成组束结构(如4×2阵列)，每一束激光配备两组主放大器和两组空间滤波器。这样的设计排列使每束光相对独立，每个组束共享放大器腔体和泵浦。但这种驱动器设计使放大器内增益介质的储能不能有效提取，造成储能的浪费，同时也会导致当能量需求进一步提高时，需要投入巨大的经费和资源以支撑驱动器建设。且当驱动器规模大到一定程度时，工程的限制将导致驱动器难以继续扩大规模，无法为惯性约束聚变研究提供更大能量的输出能力。

偏振透反镜，为光学领域常用器件，具有反射和透射两种功能，对于某一角度的线偏振光反射，将该线偏振光的偏振方向偏转90°后，就可以在偏振透反镜透过。

电光开关，也称为“电光Q开关”，关键部件为内部的电光晶体，当向电光晶体施加半波电压时，通过电光开关的光束偏振方向将偏转90°。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种高功率固体激光驱动器及其激光放大方法，本发明的激光驱动器将多个激光放大系统排列为多边形，种子激光在多个激光放大系统中循环传输放大，增加了增益介质的有效提取率，激光能量放大倍数增加。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高功率固体激光驱动器，包括至少1个反射镜和至少3组激光放大系统，所述激光放大系统共同排列为多边形，所述激光放大系统包括放大器、空间滤波器、电光开关、控制电路、偏振透反镜和变形镜，所述控制电路与所述电光开关连接，按照激光的传播路径依次排列为：放大器、空间滤波器、电光开关、偏振透反镜、变形镜和下一组激光放大系统的放大器，所述反射镜与所述变形镜位于所述偏振透反镜的不同侧。

进一步，所述激光放大系统为6组，排列为正六边形。

进一步，所述反射镜的个数为6个。

另，本发明还提供一种利用如上所述的固体激光驱动器进行激光放大的方法，包括以下步骤：

(1)将至少1束入射激光导入激光放大系统的光路，得到种子激光；

(2)所述种子激光在所述激光放大系统组成的环形光路中循环传输，并多程放大，得到放大激光；

(3)所述放大激光输出时，所述驱动电路向所述电光开关的晶体加载半波电压，使所述放大激光的偏振方向偏转90°，经过偏振透反镜时透过，入射到反射镜发生反射，输出打靶激光。

进一步，所述入射激光为脉冲激光。

进一步，所述入射激光的光束数目与所述激光放大系统的数目相同。

进一步，所述入射激光导入的位置为所述空间滤波器的小孔位置。

本发明的有益效果如下：

1、多组激光放大系统排列为多边形，每束种子激光等效只是用一组激光放大系统，却可以多次在所有激光放大系统中放大，对增益介质中的储能高效提取，提高驱动器整体的能量利用率，极大减少了驱动器对资源和经费的需求；

2、多组激光放大系统采用6组，形成高度对称的构型，每组激光放大系统中的器件相同，减少了设计、加工和制造环节的资源消耗；

3、激光驱动器中的器件排列简单，构思巧妙，充分利用反射镜，整体结构紧凑，可以沿靶室排列多层激光驱动器，形成球状构型，从而快速增加打靶激光路数；

4、采用变形镜，通过改变变形镜的面型，对波前畸变和离焦进行校正，以保证激光安全通过下一组空间滤波器的小孔；

5、本发明采用的激光放大方法可同时放大多束种子激光，激光经过放大后可由同一反射镜先后输出，也可由不同反射镜同时输出。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的局部放大图；

图3为多个本发明的激光驱动器打靶时整体排列示意图；

图4为本发明的增益介质钕玻璃储能和储能提取率；

图5为美国国家点火装置的增益介质钕玻璃储能和储能提取率。

图中：1—激光放大系统，2—反射镜，3—放大器，4—空间滤波器，41—小孔，5—电光晶体，6—偏振透反镜，7—变形镜，8—入射激光，9—靶室。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种高功率固体激光驱动器，包括6个反射镜2和6组激光放大系统1，所述激光放大系统1共同排列为正六边形。

如图2所示，所述激光放大系统1包括放大器3、空间滤波器4、电光开关5、控制电路(图中未画出)、偏振透反镜6和变形镜7，所述控制电路与所述电光开关5连接，按照激光的传播路径依次排列为：放大器3、空间滤波器4、电光开关5、偏振透反镜6、变形镜7和下一组激光放大系统1的放大器3，所述反射镜2与所述变形镜7位于所述偏振透反镜6的不同侧。所述空间滤波器4由两侧的凸透镜和中间的小孔41组成。采用变形镜7，通过改变变形镜7的面型，对激光的波前畸变和离焦进行校正，以保证激光安全通过下一组空间滤波器4的小孔41。

如图3所示，本实施例的激光驱动器用于惯性约束聚变中，需要更多束激光打靶时，可以增加激光驱动器内激光放大系统1的个数，使其排列为八边形、九边形或更多边形，同时，这些激光放大系统1排列在同一球体表面，靶室9的中心与所述多边形排列成的球体中心相重合，入射激光8经循环放大后，由反射镜2直接反射至靶室9，从而快速成倍增加打靶能量。本发明激光驱动器中的器件排列简单，构思巧妙，充分利用反射镜2，整体结构紧凑，可以沿靶室排列多层激光驱动器，形成球状构型，从而快速增加打靶激光路数。

另，本实施例还提供一种利用如上所述的固体激光驱动器进行激光放大的方法，包括以下步骤：

(1)将6束入射激光8分别在6个空间滤波器4的小孔41位置处用反射镜(图中未画出)导入激光放大系统1的光路，所述入射激光8均为脉冲激光，导入时刻相同，得到种子激光；

(2)所述种子激光在所述激光放大系统1组成的正六边形环状光路中循环传输，从入射后的下一组激光放大系统1开始，传输路径为：放大器3、空间滤波器4、电光开关5、偏振透反镜6、变形镜7和下一组激光放大系统的放大器3，如此往复，多程放大，得到放大激光；

(3)所述放大激光对增益介质中的储能提取至上限，需要输出时，所述驱动电路向所述电光开关5的晶体加载半波电压，使所述放大激光的偏振方向偏转90°，经过偏振透反镜6时透过，入射到反射镜2发生反射，输出打靶激光。本发明采用的激光放大方法可同时放大多束种子激光，打靶激光由不同反射镜同时输出，同时打靶。

上述打靶激光均入射到靶室9，完成打靶。

此外，对于只有2组激光放大系统1的激光驱动器，依然可以使用本发明的方法进行激光放大，只需将2组激光放大系统1和至少1个反光镜2共同排列为多边形，激光仍在多边形的光路中循环放大。本发明也可用于将连续激光放大，激光放大后可以通过调节控制电路向电光晶体5施加电压的时间，调整激光输出位置，从而达到所有放大后的激光由同一反射镜先后输出。

对比实验一：

本发明的放大器3采用以布儒斯特角排列的7片钕玻璃以及泵浦氙灯共同构成1个放大器3，入射激光8采用脉宽为3ns的激光脉冲，经过本发明实施例一的9程循环放大，在满足级间B积分不超过1.8的判据下，3ns脉宽的激光脉冲最大可输出7950J的基频光(波长1053nm)能量。而目前全世界唯一建成的百万焦耳量级的激光驱动器美国国家点火装置，其设计构型为两组放大器3和两组空间滤波器4，在5ns脉宽下，单路可输出最大基频光激光能量16.9kJ，等效于3ns脉宽下的10.1kJ。两者的储能和储能提取情况如图4和图5所示。从图4中可见，采用本发明的激光驱动器，放大片(钕玻璃片)的单片储能约为3.2kJ，每个放大器3内的7张钕玻璃片储能提取效率相对均衡，提取效率均超过40％。从图5中可见，美国国家点火装置构型下，其采用的两组放大器3共18张钕玻璃片，放大片(钕玻璃片)的单片储能约为3.5kJ，储能提取效率分布不均衡，提取效率从约25％到40％均有分布，导致整体储能提取效率降低。本领域普遍认为，增益介质的储能存在微小差别，对储能的提取效率影响可以忽略不计。因此，从对比中可以看到，本发明的激光驱动器极大提高了增益介质的储能提取效率。

以美国国家点火装置192路的规模，其最大输出基频光能量为3.2MJ/5ns，等效为1.92MJ/3ns。以本发明的环形激光驱动器单路7.9kJ/3ns最大输出能力计算，达到与美国国家点火装置相同水平需要约243束激光。从资源消耗情况来看，美国国家点火装置共需钕玻璃3456片、空间滤波器384组。而本发明具备同等输出能力的环形驱动器仅需钕玻璃1701片，空间滤波器243组。仅从放大介质与空间滤波器4这两项最为昂贵的驱动器组成部分来看，采用本发明的环形激光驱动器就能极大的降低驱动器整体资源需求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种高功率固体激光驱动器，其特征在于，包括6个反射镜和6组激光放大系统，所述激光放大系统共同排列为正六边形，所述激光放大系统包括放大器、空间滤波器、电光开关、控制电路、偏振透反镜和变形镜，所述控制电路与所述电光开关连接，按照激光的传播路径依次排列为：放大器、空间滤波器、电光开关、偏振透反镜、变形镜和下一组激光放大系统的放大器，所述反射镜与所述变形镜位于所述偏振透反镜的不同侧，所述激光放大系统的入射激光为脉冲激光。

2.一种利用权利要求1所述的固体激光驱动器进行激光放大的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将至少1束入射激光导入激光放大系统的光路，得到种子激光；

(2)所述种子激光在所述激光放大系统组成的环形光路中循环传输，并多程放大，得到放大激光；

(3)所述放大激光需要输出时，所述驱动电路向所述电光开关的晶体加载半波电压，使所述放大激光的偏振方向偏转90°，经过偏振透反镜时透过，入射到反射镜发生反射，输出打靶激光。

3.根据权利要求2所述的激光放大的方法，其特征在于，所述入射激光的光束数目与所述激光放大系统的数目相同。

4.根据权利要求3所述的激光放大的方法，其特征在于，所述入射激光导入的位置为所述空间滤波器的小孔位置。