[发明专利]用于激光直接驱动准等熵压缩的长脉冲激光前端系统

说明书

本发明公开了一种用于激光直接驱动准等熵压缩的长脉冲激光前端系统，包含单频连续激光器、声光调制器、脉冲整形单元与长脉冲再生放大器。所述的长脉冲再生放大器包含Herriott光学腔，用于延长再生放大器的谐振腔长度，使再生放大器的谐振腔可以支持大于100ns脉宽的整形激光脉冲传输放大。本发明克服了现有高功率激光驱动器前端系统输出脉冲宽度小于等于30ns的限制，可以实现前端系统大于100ns脉宽、能量为数十毫焦至数百毫焦的激光脉冲输出，可以用于构建百纳秒高功率激光驱动器，以实现未来更高压强下的超高压地质材料实验研究的需求。

技术领域：

本发明涉及高功率激光驱动器领域，特别是一种用于激光直接驱动准等熵压缩的长脉冲激光前端系统。

背景技术：

开展超高压条件下的地质材料实验研究，对理解地球和行星科学中新出现的和长期存在的现象有重要意义。一方面，超高压下的地质材料实验研究可用于揭示关于地球深部的结构、动力学以及演化问题；另一方面，该实验研究也可以用于研究极端条件下太阳系外行星物质的物理和化学特性，发现不同行星的成分构成和矿物学，进而理解行星体系结构的多样性、起源与演化。早期，一般通过使用金刚石压腔产生静态压缩，开展行星内部深处条件下物质的实验研究，然而，此类实验的压强条件被限制在200GPa以下。为实现TPa量级的压强和大于10000K的高温，唯一可行的方法是采用动态加载压缩技术。动态压缩技术分为冲击压缩和斜坡压缩两种技术方案。

冲击压缩是通过将短时间尺度的大振幅机械波作用于材料，使材料的压强、密度、粒子速度、温度和其它性质发生不连续的变化，它在热力学上是不可逆的。冲击波的很大一部分能量用于使物质产生熵增和温升，并且温升随压强的提升而剧烈增大，当压强提升到一定程度时，冲击波引起的温升甚至会引起固体材料的熔化，例如，对于硅酸盐、氧化物、金属等物质，当冲击压强达到100～300GPa时，就会发生熔化。因此，超高压条件下的冲击波实验通常用于探测高温液体的状态。另外，冲击压缩所能实现的压缩程度受限，原因是随着冲击波能量的增大，更多占比的能量转化为热量，而不是用于对样品的压缩。

不同于冲击压缩，斜坡压缩通过加载连续增大的动态压强来实现，可被看作由无限个弱冲击波构成的斜坡脉冲对材料进行压缩，压强以小步长逐渐增大至最终压强。斜坡压缩的上升时间通常在10～100ns，具有加载速率低、产生的熵增小的特点，可以在材料中实现高压且相对低温的物质状态，因此又被称为准等熵压缩。准等熵压缩非常适合用于研究超高压下的物质状态，因为准等熵压缩产热小，可使固体在不被熔化的条件下被压缩至非常高的压强，并且所能实现的压缩程度不受限。

准等熵压缩可通过磁脉冲加载、气体枪装置的密度梯度冲击器、高能炸药产生的化学能、高功率激光来实现。相比于其它加载方法，使用高功率整形激光脉冲驱动准等熵压缩，可以实现数TPa级的加载压强，远超过传统方法产生的压强，使人类具备研究大型星体内部状态的实验能力，因此是该领域研究的前沿与热点，具体请参见文献：

1.R.F.Smith,J.H.Eggert,R.Jeanloz,T.S.Duffy,et al.‘Ramp compression ofdiamond to five terapascals’,Nature 511,330-333(2014).

2.薛全喜，江少恩，王哲斌等，“基于神光Ⅲ原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展”，物理学报67卷(4期)，045202(2018)。

3.Thomas S.Duffy and Raymond F.Smith,‘Ultra-high pressure dynamiccompression of geological materials’,Frontiers in Earth Science 7,Article 23(2019).