惯性约束聚变能源用的低温冷却二极管抽运激光器样机HiLASE

发布时间: 2013-06-28 13:49:18   作者:本站编辑   来源: SPIE   浏览次数:

  近年来,飞秒脉冲固态激光系统研究领域迅速地发展起来。世界许多先进的实验室都建立了激光脉冲宽度约为30~500飞秒的亚拍瓦及拍瓦级功率的激光装置。这一新的科研工具推动了一系列研究进展:超热电子及离子加速(包括质子加速);硬  X射线的产生,核反应的启动等等。科研工作者们针对基于纳秒和飞秒时间尺度激光辐射下热核靶快点火的可能性展开了一系列的理论分析及实验研究。

  过去十年由于半导体激光棒价格降低、功率增加,以及新颖的光束调节技术的出现,高效率、高能量、高光束质量的二极管固态激光器(DPSSL)得到了广泛关注。全球正研制数台能量可达100J甚至更高的高能量级DPSSL。建议中的高效提取DPSSL能量有两种方法,第一种建立在能动镜放大器和单面冷却的基础上。第二种则基于气冷板层架构,正如水星(Mercury)激光器系统中的那样。这两种方案中,低温都将对导热和放大自发辐射(ASE)产生影响。HiLASE工程的项目2目的是设计并优化100J/10HzYb:YAG激光放大器,它可升级到能量达千焦。

  光路结构

  HiLASE的种子脉冲由一台二极管抽运的腔倒空式Yb:YAG激光振荡器发射出,在1030nm附近有0.2nm的带宽,持续时间达8ns。系统经优化后能发出约1mJ的脉冲,重复频率10Hz。这种振荡器的输出脉冲首先由上升时间为50ps的声光调制器(AOM)塑形,然后经二极管抽运多程Yb:YAG升能放大器放大,放大器是能动镜的结构。预计其输出脉冲约为200mJ,重复频率10Hz。因为增益饱和效应,输入脉冲被转化成一个持续2ns的平顶激光脉冲,升能放大器中的多程像传递为68程。

  为控制激光系统中的B积分,开始脉宽设成8ns,后逐渐降到2ns。两种功率放大装置光路配置如图1和图2所示,二者输出能量都是100J,脉宽2ns(半高全宽)。第一种布局中(1),放大组件中包括一台输出为10J6程预放和一台能将脉冲提升到100J4程功率放大器。第二种布局(2)则是一个拥有两个相同的功率放大器头的4程系统。第一种布局是靠腔偏振器的反射把200mJ的种子脉冲射入10J放大器腔内,然后开闭泡克耳斯盒锁定。腔含有一个激光头和两个空间滤波器,后者也用作像中继望远镜。若需要,可在腔的任一端加一个变形镜进行波前校正。放大器则是4块掺Yb()放大片组成,镱浓度为1%~2%。再用分色镜将激光二极管模块输出的光共轴耦合至激活介质中。而激活介质中由心波长938nm1ms脉冲抽运,两端强度可达5 kW/cm2。经过4程传递,启动泡克耳斯盒,放大后的脉冲从放大腔内射出。由10J放大器内腔输出的20mm×20mm的光束被望远镜扩成60mm×60mm,然后注入提供中继成像在功率放大器平面的传输空间滤波器内。

   

  1  10J的前置放大器和100J的功率放大器的激光系统光学布局,已被数字模拟研究和最佳化。激光系统由激光板块(Yb:YAG)的放大器、双色束分光器、空间滤波器、多道空间滤波器、偏振片、泡克耳斯盒和变形镜组成

   

  2  包含两个完全相同的放大器头的激光系统光学布局

  放大器采用了8块规格为60mm×60mm×8mm、掺镱0.3%(端板)1.3%(中央板块)范围。第二种光路结构如图2所示,它采用的是两个相同的放大器,运用角向多路复用通过整个系统作4程放大。

  种子光束通过传输空间滤波器射入腔中,激光片大小为45mm×45mm×8mm,掺镱浓度0.3%(两端板块)~1.3%(中央板块)。腔内的泡克耳斯盒激活到抽运脉冲注入之时,防止系统自激振荡。两种激光系统的设计参数和能量平衡见表1、表2

  1  100J级激光系统的设计参数一览表

   

  2  100J级激光系统的能量平

   

  基线放大器设计

  放大器的基本结构如图3Yb:YAG气体冷却板块层状结构采用了含多块薄板增益介质以高压流动氦气进行面冷却。放大板块的高表面积/体积比保证了热量的高效消除,提供基本上沿着光束传播的方向的温度梯度。这种放大器可以从两侧进行端面抽运或表面抽运。

   

  3  低温冷却Yb:YAG放大器几何结构图:侧视图(左边)和翼片细节图(右边)HiLASE计划中作数字分析的一条激光基线结构:片数8块,厚度7mm,氦通道宽度4mm

  翼片上端的喷嘴部分用来加速流动速度相对较慢的冷却气体。每对翼片都组成了一个包含进口段和尾部扩散器的气动通道。这种架构的放大器中央采用的掺杂浓度高于一般的放大板块,对于所需的增益-长度乘积g0L,它能缩小激活介质的总体厚度,使每块放大板块受热均匀。在室温下,Yb:YAG饱和通量相对较高(9.6J/cm2),而小信号增益相对较低。这两个参数都可通过低温介质得到很大的改善。低温时,较低激射水平的集居数的数量减少,可提高了增益系数。另外低温也可以改善Yb:YAG的热力性能和热光性能。

  放大自发辐射和热学模型结果

  设计像HiLASE这样的高平均功率的二极管抽运固态激光器有两个主要瓶颈:ASE和热量的处理方式。ASE造成的寄生振荡很大程度上会削弱放大系统的高能性能。寄生振荡可以抑制,但ASE却不会消除,只能降到最低。已建的三维模型可计算出考虑了ASE的影响后增益介质中的能量分布。为避免寄生振荡,第一步需要减少分数厚度(即放大板块厚度对直径的比率),进一步还需要围绕增益介质用Cr:YAG吸收包覆层。最近作者发现消除放大板块的多次反射可大幅增加储能效率。从上述的三维编码得出的热沉积会被用作计算热梯度,并通过一个有限元建模计算放大板块承受的机械应力。分布均匀的平顶光束从放大器两端抽运,强度保持在5kW/cm2,抽运脉冲持续时间为1ms。假定光子抵达Cr:YAG 包覆层外侧时会被完全吸收,能量储存在Cr:YAG和铝制框架之间的边界层里。图4显示的是HiLASE放大板块45mm×45mm×8mm的横向温度分布图()和抽运表面的x - y剪切应力分布图()Yb:YAG 20mm厚的Cr:YAG包覆层包围。假设两块放大板块热交换系数不变,为1600W/m2-K。为了简化,还假定包覆层与殷钢架热接触。

   

  4  横向温度分布图()和抽运表面的x - y剪切应力分布图(),两者都由3D有限元建模得出

  抽运区最高温差不高于1Kx - y剪切应力低至0.67MPa。考虑了氦气流体动力学,可对3D有限元建模编码改进。预测温度分布图在图5中显示,假定入口氦气速度为30m/s,温度是160K,箭头指氦气流动的方向。

  可看出,最大温度梯度在激活介质内低至1.6K,在抽运区域内小于1K

   

  5  100J气冷式放大器中Yb:YAG板块三维温度分布和氦气流动方向(箭头)

  实验结果

  二极管激光抽运的主要优点是:光学效率高、运转寿命长、波长控制精确。HiLASE团队建成用计算机控制激光二极管测试和特性设置以测量不同厂家(Lastronics, Jenoptik,Quantel, Northrop Grumman)激光二极管堆的输出功率、光谱、近场和远场强度。由于二极管激光器输出是窄频带,大部分光被吸收利用。其激光辐射可调至Yb:YAG940nm的吸收线附近。图6IOQ-Jena(蓝线)测量的低温冷却(160K)Yb:YAG晶体吸收截面图。图中指出,Yb:YAG吸收峰位于从 Lastronics公司购到的激光二极管(红线)940nm的发射峰附近。

   

  6  160KYb:YAG吸收截面图(蓝线);激光二极管发射谱(红线)

   

  7  激光二极管堆(Lastronics公司)峰值发射波长和发射峰的半高全宽(FWHM)随热沉温度的漂移

  峰值发射波长和半高全宽的漂移分别为0.35nm/℃9pm/℃。这里发表的结果显示所选的激光二极管堆是基于低温气冷式多道板块放大器的高能量级DPSSL有效的抽运源。

  结    论

  提供了由二极管激光抽运的百焦耳量级多板块10Hz Yb:YAG激光器升级到千焦耳量级的各项设计参数。详细的力能学和热光学建模结果证实,低温氦气冷却方法可以极大降低激光板块的热致畸变。通过比较激光二极管堆和Yb:YAG晶体的光谱测量结果,证实了高效二极管激光抽运固态激光器在低温区域的可用性。 

  摘译自:HiLASE cryogenically-cooled diode-pumped laser prototype for Inertial Fusion Energy. Antonio Lucianetti, Martin Divoky, Magdalena Sawicka et al.. Proc. of SPIE, Vol.8602 860208

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