CN106992425B - 具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源 - Google Patents

具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，包括自由运转的准分子激光器，激光器设置在由前腔镜和后腔镜组成的激光腔内，前腔镜为中心打孔的球面反射镜，后腔镜为平面反射镜；准分子激光器输出的放大自发辐射通过前腔镜的中心孔，获得高均匀性的光束分布截面，旁轴传输的准分子自发辐射在激光腔内多次反射发生自激振荡，强度逐步放大直至饱和，利用分布在前腔镜中心孔以外的旁轴光作为增益控制脉冲对近轴光脉冲的后沿进行压缩，从而在前腔镜中心孔处输出脉冲后沿部分被压缩、空间分布均匀的ASE光脉冲。本发明简化了准分子激光系的非相干光脉冲的压缩方案，进一步改善了高功率准分子激光系统泵浦功率的利用效率。

Description

具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源
技术领域
本发明属于激光核聚变的激光器设计技术，具体涉及一种具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源。
背景技术
在惯性约束核聚变领域，由于等离子体增长不稳定性而对驱动聚变的激光空间均匀性和激光脉冲形状提出了明确要求。作为激光核聚变的重要候选激光器，氟化氪准分子激光装置通过在系统前端采用无阶梯诱导非相干技术(EFISI)获得高均匀性的光束空间分布截面，进而通过像传递系统将此光束截面投射到靶面实现对聚变靶的均匀辐照。
目前，自由运转的放电泵浦准分子激光器输出脉冲宽度多为脉冲宽度在十纳秒以上的类泊松分布脉冲，具有较快的上升沿和缓慢的下降沿，不能满足聚变研究对激光脉冲形状和宽度的需求。由于氟化氪激光工作在深紫外波段，而且EFISI技术产生的光脉冲具有宽频带、部分非相干特性，因此，传统的电光削波器件以及受激布里渊散射(SBS)和拉曼散射(SRS)技术难以适用于紫外非相干激光脉冲压缩。
基于激光增益介质的增益饱和特性，多种构型的饱和增益开关方案均可在准分子激光装置上实现激光脉冲压缩。由于这些方案需利用额外提供高强度的激光脉冲控制激光放大介质的增益，以实现对低强度种子光脉冲的压缩效果，不但结构复杂，而且浪费了接近80％的种子光源能量和一半以上的放大级泵浦功率。由于放大后的控制激光脉冲自由耗散，不但严重降低了激光装置的电-光转换和利用效率，甚至会影响到装置、工作环境和人员的安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，在高功率准分子激光系统的前端获得脉冲宽度更短的非相干种子光，简化准分子激光系的非相干光脉冲的压缩方案，进一步改善高功率准分子激光系统泵浦功率的利用效率。
本发明的技术方案如下：一种具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，包括自由运转的准分子激光器，所述准分子激光器设置在由前腔镜和后腔镜组成的激光腔内，所述前腔镜为中心打孔的球面反射镜，所述后腔镜为平面反射镜；自由运转的准分子激光器作为非相干光源，输出的放大自发辐射通过前腔镜的中心孔，获得高均匀性的光束分布截面，同时，旁轴传输的准分子自发辐射在前腔镜与后腔镜组成的激光腔内多次反射发生自激振荡，强度逐步放大直至饱和，利用分布在前腔镜中心孔以外的旁轴光作为增益控制脉冲对近轴光脉冲的后沿进行压缩，从而在前腔镜中心孔处输出脉冲后沿部分被压缩、空间分布均匀的放大自发辐射(ASE)光脉冲。
进一步，如上所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其中，所述前腔镜的中心孔为锥形孔，锥形孔的激光入口直径小于出口直径。
更进一步，所述锥形孔的激光入口边沿厚度应小于口径的1/10，对于通过的放大自发辐射要足够锐利，可视为光学系统的“刀口”。
更进一步，所述锥形孔的激光入口直径为6.8mm。
进一步，如上所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其中，所述前腔镜的光学口径需与自由运转的准分子激光器输出的光束分布截面相匹配，球面曲率半径应确保振荡输出的激光不会再次通过中心孔对自压缩非相干光脉冲造成干扰。
更进一步，所述自由运转的准分子激光器的激光窗物理口径为38.1mm，所述前腔镜为直径50mm的球面反射镜，球面曲率半径为980mm。
进一步，如上所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其中，所述的后腔镜的反射率为90％-99％。
进一步，如上所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其中，所述激光腔在确保光束界面强度分布均匀的基础上，将非相干准分子光脉冲宽度压缩至二分之一以下。
本发明的有益效果如下：本发明可在不影响无阶梯诱导非相干准分子激光光源均匀性的前提下，实现准分子激光脉冲的自压缩，且对激光的带宽、偏振、相干性等特性无特殊要求。与传统“增益开关”在放大器进行脉冲压缩相比(表1)，本发明利用自由运转激光器中对光束均匀性无贡献的旁轴光脉冲实现对沿轴向输出非相干光脉冲的压缩，由于不需要额外的高强度控制激光脉冲，极大简化了准分子激光压缩方案的复杂性，有效节约了方案的实施成本。同时，具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源在准分子系统前段实现短脉冲输出，将极大提升高功率准分子激光装置的种子光源利用效率，也有助于改善准分子激光装置的泵浦功率利用效率。
表1.几种脉冲压缩方案的比较
附图说明
图1为本发明具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源结构示意图；
图2-1、图2-2为本发明具体实施例中前腔镜的球面反射镜结构示意图；
图3为本发明具体实施例中通过激光腔压缩前后的激光脉冲波形图；
图4为本发明具体实施例中前腔镜中心孔处光束截面的强度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明所提供的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源的核心概念是在利用非相干光源的近轴光照射物孔光阑获得光强分布高度均匀的光束界面的同时，充分利用分布在物孔光阑以外的旁轴光作为增益控制脉冲对近轴光脉冲的后沿(下降沿)进行压缩。
脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源具体结构如图1所示：由自由运转的放电泵浦准分子激光器1、后腔镜2、前腔镜3和前腔镜中心处作为可变密度吸收体的物孔4构成。前腔镜3是一个中心打孔的球面反射镜，后腔镜2为平面反射镜。前腔镜3中心的小孔作为可变密度吸收体与后腔镜构成传统的无阶梯诱导非相干光学腔，自由运转的准分子激光器1作为非相干光源，输出的放大自发辐射通过物孔4，获得高均匀性的光束分布截面。同时，旁轴传输的准分子自发辐射在球面全反镜与平面全反镜组成的激光腔内多次反射发生自激振荡，强度逐步放大直至饱和。增益介质中的上能级粒子(准分子)将在旁轴光振荡放大过程中被强行抽取耗尽，造成增益介质中的准分子在近轴方向上不足以形成一定强度的放大自发辐射，即增益介质“开关”关闭。能够通过小孔的自发辐射由于强度远低于旁轴光的强度，在争夺上能态离子的竞争中处于劣势，不能得到充分放大甚至强度逐减降低，即仅有前一部分得到充分放大形成放大自发辐射(ASE)。这样就在小孔处输出脉冲后沿部分被压缩、空间分布均匀的ASE光脉冲。
构成具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光腔的核心器件是兼作物孔光阑和前腔镜的球面反射镜。球面反射镜的光学口径需与自由运转激光束输出的光束分布截面相匹配。由于球面反射镜中心加工的锥孔作为无阶梯诱导空间非相干(EFISI)技术中关键器件可变密度吸收体(VDA)——物孔光阑，因此需要确保锥孔的入口对于通过小孔的放大自发辐射而言足够锐利，可以视为“刀口”，一般来说，锥孔的激光入口边沿厚度应小于口径的1/10。为保证物孔处光束截面强度分布的均匀性，锥孔的大小需要与电极在增益介质中形成的放电通道宽度(增益区宽度)相匹配。
光学腔后腔镜②可选择反射率为90％-99％的平面高反镜，对于通过小孔的自发辐射而言，后腔镜可以有效增加自发辐射的在介质中的增益长度，从而增强输出非相干光的强度。对于旁轴自发辐射而言，后腔镜作为振荡输出窗。
小孔之外的球面反射镜与后腔镜构成光学振荡腔放大未能通过小孔的旁轴自发辐射光，球面反射镜的曲率半径可以根据振荡腔构型需要选取不同参数，只需确保振荡输出的激光不会再次通过小孔对自压缩非相干光脉冲造成干扰即可。
根据自发辐射的脉冲形状，增益介质的增益系数以及前腔镜输出/反射光线的比例，该激光腔可在确保光束界面强度分布均匀的基础上，将非相干准分子光脉冲宽度压缩至二分之一或者更短。
实施例
本发明将具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源应用于“天光一号”高功率准分子激光系统，在系统前端种子光源上获得了3-6纳秒的短脉冲输出。
“天光一号”系统的前端是放电泵浦的氟化氪准分子激光器LPX-150，该激光器由两个放电腔构成，其中振荡腔已经采用无阶梯诱导非相干技术改造为高均匀性种子光源(见“向益淮，高智星，佟小惠，戴辉，汤秀章，单玉生，‘天光一号’平滑化角多路系统的建立，强激光与粒子束，18(5)2006，795-798”)，自由运转的振荡腔输出放大自发辐射能量接近100毫焦，通过物孔后形成30毫焦的非相干脉冲输出，脉冲半高宽接近12纳秒，上升沿8纳秒左右。振荡腔输出的非相干光脉冲经过放大腔放大后，脉冲宽度展宽至24纳秒，激光能量接近300毫焦。
本实施例中利用脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光腔对种子光源进行了进一步的改造，即利用中心打孔的球面反射镜取代原光束平滑方案中的可变光阑获得脉冲宽度更短的非相干光脉冲输出。LPX-150激光窗的物理口径为38.1毫米(1.5英尺)，考虑到放大自发辐射光束在传输过程中的扩散，选择直径50毫米的球面反射镜作为激光腔的前腔镜，球面曲率半径980毫米(接近原物孔到后腔镜的间距)。由于原光束平滑方案中可变光阑的通光口径为6.8毫米，因此在球面反射镜中心加工通光口径为6.8毫米的椎孔作为无阶梯诱导非相干光学腔的物孔，以获得高均匀性的光强分布截面(如图2-1、2-2所示)。由于椎孔的入口对于通过小孔的放大自发辐射而言足够锐利，可以视为“刀口”，因此可以确保光束截面边缘足够陡峭，且尽可能减小非相干光通过小孔时形成杂散光的可能。
利用图1所示的脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光腔将旁轴光反射进自由运转的激光腔后，可以成功的在输出端观察到压缩的放大自发辐射输出，非相干光脉冲甚至可以被压缩到纳秒左右(图3中ch2)，此时输出光脉冲能量小于3毫焦，已经不能正常触发用于能量观测的LE-3能量计(中科物科)。利用激光界面分析仪对物孔位置的光束界面测试结果证实，该激光腔构型可以有效保持无阶梯诱导非相干准分子激光光源的均匀性(如图4所示)。
将自压缩的非相干准分子激光脉冲注入LPX激光器放大腔进行多程放大后，理论上可以在LPX激光器上获得100毫焦的能量输出，脉冲宽度接近6纳秒。将此脉冲二次分束后注入天光系统的前级放大器CHEL3300和预放大器放大，预期可以获得200毫焦×12束的脉冲输出，脉冲宽度应为6-8纳秒，强度足以驱动“天光一号”系统的主放大器饱和。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，包括自由运转的准分子激光器，其特征在于：所述准分子激光器设置在由前腔镜和后腔镜组成的激光腔内，所述前腔镜为中心打孔的球面反射镜，所述后腔镜为平面反射镜；自由运转的准分子激光器作为非相干光源，输出的放大自发辐射通过前腔镜的中心孔，获得高均匀性的光束分布截面，同时，旁轴传输的准分子自发辐射在前腔镜与后腔镜组成的激光腔内多次反射发生自激振荡，强度逐步放大直至饱和，利用分布在前腔镜中心孔以外的旁轴光作为增益控制脉冲对近轴光脉冲的后沿进行压缩，从而在前腔镜中心孔处输出脉冲后沿部分被压缩、空间分布均匀的放大自发辐射光脉冲。
2.如权利要求1所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述前腔镜的中心孔为锥形孔，锥形孔的激光入口直径小于出口直径。
3.如权利要求2所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述锥形孔的激光入口边沿厚度应小于激光入口直径的1/10,可视为光学系统的“刀口”。
4.如权利要求3所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述锥形孔的激光入口直径为6.8mm。
5.如权利要求1所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述自由运转的准分子激光器的激光窗物理口径为38.1mm，所述前腔镜为直径50mm的球面反射镜，球面曲率半径为980mm。
6.如权利要求1所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述的后腔镜的反射率为90％-99％。
7.如权利要求1所述的具有脉冲自压缩特性的无阶梯诱导非相干准分子激光光源，其特征在于：所述激光腔在确保光束界面强度分布均匀的基础上，将非相干准分子光脉冲宽度压缩至二分之一以下。
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