[实用新型]渐变掺杂低温氦气冷却的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器

说明书

技术领域

本实用新型属于激光放大装置技术领域，具体涉及渐变掺杂低温氦气冷却 的掺镱钇铝石榴石叠片激光放大器。

背景技术

能源危机是人类发展面临的共同挑战，惯性聚变能源(IFE)是公认的安全、 无碳、可持续发展的洁净能源。惯性聚变能的研究已经超过50年，作为解决人 类能源的长久之计以及创造极端物理条件的方法，具有强烈的吸引力。在激光 聚变需求的牵引下，各国先后建成了一系列大型高功率激光驱动器装置，如美 国的国家点火装置(NIF)、法国的兆焦耳装置(LMJ)以及我国的神光系列装置(SG) 等。NIF的建成和国家点火攻关的开展，标志着激光聚变能源研究进入了一个 新的阶段。但当前的这些装置主要基于传统的氙灯泵浦块状钕玻璃，整体效率 偏低，且基本上都是单发装置，每次打靶后都需要几小时的冷却来消除热畸变， 恢复原性能，无法满足未来IFE电站在技术和经济上对高效、重频激光驱动器 的需求。随着二极管阵列的快速发展，二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)成为IFE 驱动器的一条重要技术途径。然而，放大自发辐射(ASE)和热效应仍然是制约重 频驱动器性能的关键因素，研究新型的增益介质和放大器结构，采用有效的热 管理和ASE抑制技术，是发展重频、高能高功率激光技术的核心。

近年来，得益于高功率二极管阵列的发展，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光 材料得到了广泛的研究。相比钕玻璃，Yb:YAG的热机械性质更加优异；而且， Yb离子的荧光寿命长，量子效率高，热生成率低，能级结构简单，避免了浓度 淬灭、激发态吸收和频率上转换等过程，更有利于高平均功率运行。尽管常温 下Yb:YAG的饱和通量相对较高不利于能量提取，但冷却到低温可显著提高其 受激发射截面，减少下能级的再吸收，同时也可进一步改善材料的热机械性质。 另外，Yb:YAG陶瓷材料的发展将有助于获得高质量、大尺寸的介质。

目前，为了验证激光聚变能电站的可行性，基于DPSSL技术美国和欧洲分 别提出了LIFE、HiPER计划，并将Yb:YAG作为主要的候选材料之一[A. Bayramian,S.Aceves,T.Anklametal.,"Compact,EfficientLaserSystemsRequiredfor LaserInertialFusionEnergy,"FusionScienceAndTechnology60,28-48(2011).J.C. Chanteloup,D.Albach,A.Lucianetti,etal.,"MultikJlevelLaserConceptsforHiPER Facility,"TheSixthInternationalConferenceonInertialFusionSciencesand Applications,2010.]。它们还相继提出了叠片和有源镜放大器，并分别采用高压氦 气分布式表面冷却，低温、低气压、静态气体背面传导冷却增益介质移除废热， 有效地进行热管理。此外，Chanteloup等人也考虑在有源镜放大器中沿抽运方向 对介质采用渐变掺杂浓度来优化增益系数，减少横向ASE和增益介质的厚度， 避免ASE和热效应的影响[J.-C.Chanteloup,D.Albach,G.Bourdet,etal.,"Impactof VariableDopedGainMediumonHiPERMultiplekJ/～10HzDiodePumpedBeam LinesDesign,"WB6,ASSP,OSA,2009.]。针对该技术方案，通过水平直接结晶技术， Azrakantsyan等人已经证实渐变掺杂Yb:YAG单晶的可行性[M.Azrakantsyan,D. Albach,N.Ananyan,etal.,"Yb3+:YAGcrystalgrowthwithcontrolleddoping distribution,"OpticalMaterialsExpress2,20-30(2012).]。

另外，采用共烧结陶瓷和液相外延生长技术也可获得渐变掺杂的Yb:YAG 材料。然而，这种方案仍然局限于有源镜结构中，还没有关于渐变掺杂叠片放 大器结构的报道。

实用新型内容