[发明专利]用于高功率激光系统的多程放大器架构

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求在2010年3月26日提交的标题为“Multi-pass Amplifier Architecture for High Power Laser Systems”的美国临时专利申请号61/318,136的优先权，为了所有的目的，其全部公开内容在此通过引用被并入本文中。

根据联邦资助的研究和开发作出的发明的权利声明

由于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的运作，按照美国能源部和劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司（Lawrence Livermore National Security，LLC）之间的合同号DE-AC52-07NA27344，在本发明中美国政府拥有权利。

背景技术

能源信息机构和目前的联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）做出的情景推断预期到2030年为止全球电力需求将翻倍，从现有的大约2万亿瓦电力（TWe）量增加到4TWe,并且到2100年为止可达到8-10TWe。他们还预测在未来的30到50年，大量的电力生产的需求将由化石燃料所提供，主要是煤和天然气。目前，煤供应全球电能的41%，并且预计到2030年为止供应全球电能的45%。此外，IPCC最新的报告已经提出了进入大气层的人造二氧化碳排放源在地球的气候方面具有显著的影响的90%可能性。“一切照常”基准场景表明到2050年为止，二氧化碳的排放量可能几乎是现有水平的2.5倍。当试图稳定和减少大气层中的二氧化碳浓度及减轻随之而来的天气变化时，为满足发达国家和发展中国家的日益增长的能源需求，新技术和替代性的能源比以往任何时候都重要。

核能是无碳排放能源，自1950年开始，核能已经成为全球能源生产的重要组成部分，目前占全球电力生产的大约16%，原则上，这个分数是增长的。然而，一些因素使得其长期持续性变得难以满足。所述原因包括核材料扩散的危险和核燃料循环的技术；长寿命的放射性核废料的生成需要深埋在地质储藏库中；对一次性通过开放核燃料循环的目前依赖；以及低成本，低碳的铀矿覆盖区的可用性。只在美国，核反应堆已经产生了多于55,000公吨（MT）的已使用过的核燃料（SNF）。在不远的将来，我们将拥有充足的已使用过的核燃料以填充Yucca山地质废料库到其法定的上限70,000MT。

对于未来的能源产生，聚变是有吸引力的能源选择，正在开发的聚变能源站有两种主要的方法。第一种方法，惯性约束聚变（ICF）使用激光，重离子束，或者脉冲能源以快速地压缩包含氘（D）和氚（T）的容器。随着容器范围的减少，DT气体密度及气体温度增加，DT聚变反应在压缩的容器的中央的小斑点中发起。所述DT聚变反应产生α粒子和14.1兆电子伏特（MeV）中子。从所述斑点的前方聚变，生成显著的能量增益。第二种方法，磁聚变能源（MFE）使用有效的磁场以限制DT等离子体并且生成维持等离子体聚变和生成能量增益所需要的条件。

ICF的重要技术正主要地在加利福尼亚州利弗莫尔市的本发明代理人劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火设施（NIF）发展。在那里，被设计为实现热核聚变点火和燃烧的基于激光的ICF项目利用1到1.3MJ的激光能量。预计正常可达10到20MJ的聚变产量。如果聚变技术自身被用于高性价比的能源产生，在中心热点聚变几何形状中预计需要超过200MJ的聚变产量。这样，单纯通过纯ICF能量实现激励经济还有显著的技术挑战。

除了ICF应用之外，还广泛关注用于材料处理、钻孔、切割和焊接、军事应用等的高平均功率激光器的领域。许多在高平均功率下已被证明了的激光器已工作在连续波（cw）模式，但是还关注亦能够产生高平均功率的重复率（rep-rated）脉冲式激光器。

发明内容

本发明一般地涉及激光系统。更具体地，本发明涉及使用三维放大器几何生成高功率激光束的方法和系统。仅作为示例，本发明已应用于这样的放大器组件：所述放大器组件利用正被放大的束的偏振状态来沿着预定的光学路径引导束通过多个放大器级。在特定的实施例中，在这里说明的三维放大器几何使得能够使用以比最后经放大的束的功率水平小的功率水平工作的电子光学开关来执行寄生模式的抑制。所述方法和系统可被应用于各种各样的其他激光放大器架构和激光系统。