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L
激光与光电子学进展
aser&OptoelectronicsProgress
Oct.2008 VOL.45NO.10
1
引言
激光二极管抽运的固体激光器(DPSSL),因其可
以实现重复频率运行以及较低的热产额
,成为惯性聚
变能源(IFE)驱动器研究的重要技术途径
[1]
。单发能量
百焦耳,平均功率千瓦级的 DPSSL 装置相关技术相
继在美、日、法、
德等国家得到
了广泛研究。
目前的
DPSSL 研究重点在于以下三个方面
:高
能量高效率抽
运源、固体增益介质、用于倍频及电光开关的非线性
固体材料
[2]
。本文结合上述 DPSSL 关键技术,介 绍 用
于 IFE 研究的几套 DPSSL 装置进展状况,包括系统
结构设计、热管理方案等
。
2
美国
Mercury
系统
2.1
系统概述
作为美国整个惯性聚变能源发展规划的第一阶
段
,
Mercury 激光系统(图 1)
[3]
是一个可升级的重复
频率惯性聚变驱动器。美国利弗莫尔国家实验室从
20 世纪末开始了对 Mercury 激光系统的研制
,作为
目前世界上单脉冲能量最大的激光二极管(LD)抽运
的固体激光系统,它的运行目标是:波长 1047nm,
10Hz 频率工作,输出能量 100J,脉宽 3~10ns,整
体效率达到 10豫
[4~6]
。
文献[4,5]综合报道了 2003 年以前 Mercury 装置
惯性聚变能领域的激光二极管抽运
固体激光装置
RecentProgressofLaserDiode-PumpedSolid-StateLaser
DriversforInertialFusionEnergy
王明哲
1
,
2
丁磊
1
罗亦鸣
1
唐军
1
李明中
1
景峰
1
1中国工程物理研究院 激光聚变研究中心
,
四川绵阳 621900
2 国防科技大学理学院
,
湖南长沙 410073
蓸 蔀
WangMingzhe
1,2
DingLei
1
LuoYiming
1
TangJun
1
LiMingzhong
1
JingFeng
1
1 ResearchCenterofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang,Sichuan 621900,China
2 CollegeofScience,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,Hunan 410073,China
蓸 蔀
摘 要
采用激光二极管抽运固体激光(DPSSL)装置作为驱动器是惯性聚变能源(IFE)领域的重要技术途径
,可 兼
顾 高 峰值功率和高平均功率
。介绍了
4 种单发能量百焦耳、脉宽纳秒级的重复频率固体激光装置
,包括系
统的概念设计
、
实验进展
,
以及放大器构型、能量提取方案、介质热管理等关键单元技术
。
关键词
惯性聚变能源
;
高平均功率激光装置
;
激光
;
二极管抽运固体激光器
;
热管理
Abstract
Laser diode-pumpedsolid-statelaser (DPSSL)isoneofthemostimportantschemesforinertial
fusionenergy(IFE)driverforitshighpeakpowerandhighaveragepower.FourDPSSLsystemswith
therepititionrateoutputof100Jinnano-secondsarepresented,includingtheirdesignand
progress.Theconfigurationofamplifier,theschemeforenergyextractionandthethermalcontrolof
mediumareintroduced.
Keywords inertialfusionenergy;highaveragepowerlasers;laserdiode-pumpedsolid-statelaser;thermal
management
中图分类号
:TN248.1 doi:10.3788/LOP20084510.0056
www.opticsjournal.net中国光学期刊网:
特别报道
|
强激光技术
RESEARCH
单元技术方面的进展,2007 年 9 月 IFSA 会议上公布
的系统运行状况如表 1 所示。Mercury 激光系统采用
离轴(激光束离轴 5mrad)四程放大结构
,由一个前端
系统和两个气体冷却放大器组成
。前 端 系统提供
500
mJ 整形注入脉冲;放 大 器 采 用 端 面抽运方式
,每个放
大器由 4 组 80kW 的激光二极管阵列从两侧对 7 片
Yb:S-FAP 晶体进行抽运
。晶体厚
度 0.75cm,间距 1
mm,通过 0.1Ma 的氦气流对晶体进行冷却
,将注入
脉冲放大至 100J。
2.2
热管理技术
虽然同传统的闪光灯抽运方式相比
,
LD 抽运方
式提高了整体效率,生热率较低,但是其抽运区域和
非抽运区域的温度梯度反而增大,温度梯度及热应力
引发的热效应问题仍是阻碍 DPSSL 系统向高平均功
率和高光束质量发展的重要瓶颈
。
热管理技术可理解为对系统及其单元器件产生
的废热进行抑制、疏导或改变其分布形式以确保系统
正常工作的各种方法及技巧。
美国利弗莫尔实验室的
Mercury 激光系统热管理工作较为成功
。从系统设计
开始,就将激光器的热效应以及放大器系统的冷却作
为一个重点研究课题。他们对高抽运功率下的激光介
质进行了详细的热/力学/光学计算以确定激光介质的
温度、应力和应变分布以及由它们引起的光学畸变
[7]
。
Mercury 项目的研究人员计算了不同激光片的温度分
布,编制了估计气冷状态下换热系数和环境温度变化
的程序,并分析了三个导致热致光束畸变的因素:
二
极管源的非均匀抽运所导致的热源分布不均匀;向 较
冷 激光片组件周边区域的热传导
,增 加 了 片
口 径 范围
的温度梯度;气 体 冷却时变化的对流换热系数和环境
温度。改进措施包括:设计抽运耦合装置时
,
选用较长
的光锥,牺牲部分抽运效率的同时保证了抽运的均匀
性;将 增益介质等分为 7 片,采用梯度掺杂技术来平
衡各片之间的热功率密度
。另外,采用
折射率温度系
数为负的 S-FAP 晶体,对热效应控制也具有一定优
点:补偿了 60%的端面变形和热应力所引起的波前畸
变,且畸变形状是低阶的
,适合用变形
镜校正
。
在模拟基础上设计出的氦冷放大头如图 2 所示
[6]
。
构造简洁,冷却效果十分理想
。从图
3 可以看出
,
对于
片状放大器热致波前畸变的控制
,实 验 数据与模
拟数
表
1Mercury
装置参数
Mercyry
激光装置
(2007
年
9
月
)
目标 现状
能量
/J(@1
w
) 100 62
系统效率
/% 10 6.2
重复频率
/Hz 10 10
脉宽
/ns 3~10 14
波长
/
m
m 0.52/0.35 0.52
谱宽
/THz >0.1
光束质量(衍射极限倍数)
5 4
图
1Mercury
装置实图
图
2Mercury
气冷放大头示意图
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