[发明专利]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

本发明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,EfficientLaserSystemsRequiredforLaserInertialFusionEnergy,FusionScienceAndTechnology60,28-48(2011).J.C.Chanteloup,D.Albach,A.Lucianetti,etal.,MultikJlevelLaserConceptsforHiPERFacility,TheSixthInternationalConferenceonInertialFusionSciencesandApplications,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.,ImpactofVariableDopedGainMediumonHiPERMultiplekJ/～10HzDiodePumpedBeamLinesDesign,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+:YAGcrystalgrowthwithcontrolleddopingdistribution,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。

发明内容

本发明提供了一种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，利用高功率二极管阵列作为泵浦源，掺镱钇铝石榴石材料中镱离子浓度采用渐变掺杂使整个放大器小信号增益保持均匀，同时在片与片之间通过高速低温氦气主动冷却介质，高效移除废热，从而实现激光放大器高效高重复频率运行。其具体的技术方案如下：

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，其包括增益介质模块、双色镜模块、耦合透镜模块、泵浦模块,其中：