High power all-solid-state quasi-continuous-wave tunable Ti:sapphire laser system

This paper reports a high power, all-solid-state, quasi-continuous-wave tunable Ti:sapphire laser system pumped by laser diode (LD) pumped frequency-doubled Nd:YAG laser. The maximum tuned output power of 4.2 W (797 nm) and tuned average power of 3.7 W were achieved when fixing the Ti:sapphire broadband output power at 5.0 W and applying 750-850 nm broadband coated mirror.

High duty cycle,highly efficient fiber coupled 940-nm pump module for high-energy solid-state lasers

Tailored diode laser single emitters with long(6 mm) resonators and wide(1.2 mm) emission apertures that operate with940 nm emission wavelength were assembled in novel edge-cooled vertically stacked arrays, and used to construct a compact and highly efficient fiber coupled pump source for Yb:YAG pulsed high-energy class solid-state lasers. The novel configuration is shown to allow repetition rates of 200 Hz at 1 ms pulse duration, at an output power of 130 W per single emitter. The emission of two stacked arrays was then optically combined to realize pump modules that deliver6 kW peak power(pulse energy 6 J) from a 1.9 mm core diameter fiber, with wall plug efficiency of 50%. This represents a significant improvement in terms of duty cycle and electro-optical efficiency over conventional sources. The pump module has been successfully tested at the Max Born Institute, Berlin during trials for pumping of disk lasers.

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

Status and development of high-power laser facilities at the NLHPLP

In this paper, we review the status of the multifunctional experimental platform at the National Laboratory of High Power Laser and Physics(NLHPLP). The platform, including the SG-II laser facility, SG-II 9th beam, SG-II upgrade(SG-II UP) facility, and SG-II 5 PW facility, is operational and available for interested scientists studying inertial confinement fusion(ICF) and a broad range of high-energy-density physics. These facilities can provide important experimental capabilities by combining different pulse widths of nanosecond, picosecond, and femtosecond scales. In addition, the SG-II UP facility, consisting of a single petawatt system and an eight-beam nanosecond system, is introduced including several laser technologies that have been developed to ensure the performance of the facility. Recent developments of the SG-II 5 PW facility are also presented.

Scaling diode-pumped, high energy picosecond lasers to kilowatt average powers

Recent results in the development of diode-driven high energy, high repetition rate, picosecond lasers, including the demonstration of a cryogenic Yb:YAG active mirror amplifier that produces 1.5 J pulses at 500 Hz repetition rate(0.75 kW average power) are reviewed. These pulses are compressed resulting in the generation of ~5 ps duration,1 J pulses with 0.5 kW average power. A full characterization of this high power cryogenic amplifier, including atwavelength interferometry of the active region under >1 kW average power pump conditions, is presented. An initial demonstration of operation at 1 kW average power(1 J, 1 k Hz) is reported.

大型激光装置光学元件的稳定性设计

大型高功率固体激光装置通常要求总的打靶精度为几十微米,这对结构的稳定性设计提出了很高的要求。本文以一大型激光装置为背景,以关键光机系统为例进行稳定性设计。通过采用钢筋混凝土建筑结构、一体化结构和桁架结构、隔离振动源增加结构刚度等方式减小光机结构对环境振动的响应,提高结构的稳定性。然后,应用有限元理论对关键光学元件及其支撑结构的稳定性进行分析,以验证光机结构设计的合理性。分析结果显示,该系统中腔镜的最大转角为0.14μrad,注入系统角漂元件的最大转角为0.423μrad,光束切换模块反射镜的最大转角为0.394μrad。计算结果表明:设计的结构合理可行,关键光学元件均满足稳定性设计指标的要求,且裕度系数>1.5。

光学元件“缺陷”对助推放大级光束质量的影响

光学元件"缺陷"制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型"缺陷"模型,并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了"缺陷"分布的统计参量与光束近场质量的关系,得到了一般规律。结果表明,"缺陷"总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加,光束近场质量变差;总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等,频率间相对比重基本保持不变,幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化;一定范围内,"缺陷"尺寸越大对近场质量的影响越严重;对于助推段,需将元件的"缺陷"总密度控制在600cm-2以下,幂指数控制在2.5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。

高功率固体激光装置的发展与工程科学问题

在激光聚变需求牵引下 ,高功率固体激光技术走过了 30多年的发展历程。在世界范围内 ,美、日、法、中、英、俄等国先后建造了 2 0多台大型装置 ,输出能量初期仅百焦耳级 ,后来增大到数万焦耳 ,固体激光技术得到长足发展。近几年来 ,几个大国都在建造巨型激光装置 ,如美国和法国正分别建造国家点火装置NIF和兆焦耳激光器LMJ ,我国在研制神光 -Ⅲ激光装置 ,俄国也在计划建造Iskra - 6激光装置。这一代激光装置的研制不但在科学技术上提出了许多新需求 ,从而把激光科学技术发展推向新的历史阶段 ,而且就其规模、投入、周期和风险而言 ,是前所未有的大光学科学工程。

空间滤波器阵列结构优化设计

给出了新型大型激光装置阵列化空间滤波器结构优化设计。对大口径阵列化光束超长程传输、光路控制、光束质量控制,以及支撑稳定性、震动隔离、离轴调节等关键技术进行了分析研究,对物理方案和参数进行分解。运用Pro/E软件建立阵列化空间滤波器三维实体模型,给出了阵列化空间滤波器的总体结构解决方案。对关键部件和技术指标进行了详细分析,采取了新颖的结构和相应的技术措施;运用ANSYS分析软件对结构刚性、强度、振型等指标进行分析,通过有限元仿真与CAD环境的双向嵌入优化结构;为给装置结构的适应性找到可靠的评估依据,对影响稳定性较大的器件和单元进行了微振动测试和分析。理论分析和测试结果表明,该方案达到了优化设计,是可行的。

高功率多程放大系统中鬼像的分析

为了有效地避免鬼像破坏,针对采用离轴多程放大的高功率固体激光实验装置的光路特点,利用“光路二叉树”原理和“矩阵光学”方法,将全光路“单元化”为主放大、助推放大、反转器和输出4个部分进行光线追迹和鬼像分析,给出了各个部分的主要鬼像分布·并通过将鬼像分析的结果与前期实验中发现的现象进行比对,证明了此种分析方法的可行性和可靠性·从而为在今后实验装置的改造和类似系统的设计中有效的分析和规避鬼像提供了理论和实验依据·

高功率平面波导激光器研究进展及分析

平面波导激光器的激光介质既能实现大模体积运转,又在一维方向起到波导作用从而获得高光束质量激光输出,近年来成为高平均功率固体激光器的重要研究方向之一。对国内外平面波导激光器的研究进展进行了归纳总结,对比和分析了平面波导的双包层波导结构、梯形波导结构和自成像结构等结构特点,分析了平面波导结构的发展及趋势,并提出了平面波导激光器发展成为高功率激光器的一些限制因素。

高功率全固态激光器抽运耦合技术进展

综述了目前获得高功率激光输出的板条、薄片激光器以及运行于热容模式固体激光器抽运耦合方式的进展,分析了这几种固体激光器的抽运耦合技术路径,比较了各类抽运耦合方式在克服热效应方面的优缺点,展望了固体激光器抽运耦合技术的发展趋势。

中厚钢板大功率固体激光切割模式

对30mm厚钢板进行大功率固体激光切割试验,研究了主要工艺参数对切割特性的影响,揭示了中厚板激光切割的传热机理.结果表明,中厚板激光切割时呈现窄缝和宽缝两种切割模式,氧气压力和激光离焦量对窄缝-宽缝切割模式转变有很大的影响.窄缝横截面呈现出较平直的"I"型,宽缝横截面呈现出上宽下窄的"V"型.

高功率固体激光放大器中增益均匀化研究

针对高功率固体激光放大器中增益分布不均匀的现象,为获得较为均匀的增益分布,提出了分布式泵浦的方法。相对于均匀泵浦,分布式泵浦就是通过设计使得泵浦场具有一定的分布。在总体泵浦功率相同的情况下,分别对均匀泵浦和一定分布的分布式泵浦条件下产生的增益分布进行了模拟计算。结果表明,与均匀泵浦相比,使用分布式泵浦方法获得了较为均匀的增益分布。因此,在高功率固体激光放大器中使用分布式泵浦方法可以提高增益分布的均匀性。

高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析

将kHz高功率固体激光器增益介质当作厚透镜处理,建立了热透镜效应分析的理论模型,使用矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。对增益介质抽运均匀性进行了改善,通过分析模拟计算结果,设计了混合非稳腔结构,选择了最佳凸面镜曲率半径对热透镜效应进行补偿。试验结果表明,补偿效果明显,kHz高功率全固态激光器的光束发散角优于1.3 mrad。

高功率固体激光装置主放大系统隔离技术实验

基于菲涅耳公式,分析了偏振光通过钕玻璃片的透射率及反射率,讨论了高功率固体激光装置离轴光束对隔离性能的影响。根据光轴和小开关晶体晶轴走偏导致的退偏损耗的原理,可以使用开关晶体的姿态去补偿光束旋转误差的退偏损耗。实验结果表明,钕玻璃片小角度变化不影响系统对偏振光选择性通过,并且利用开关晶体来补偿光束旋转误差的退偏损耗能提高系统隔离比3倍以上。

大口径光学元件热稳定性初步分析

通过分析影响高功率固体激光装置中大口径光学元件稳定性的热激励源及其作用过程,指出日照瞬态温度、室内HAVC(A ir Cond itioning)系统以及局域瞬态热源是影响光学元件稳定性的主要因素;给出了大口径光学元件热影响的数学描述,并应用分析软件进行了初步计算.分析结果表明,热激励对光学镜片的影响不是靠简单的热载荷的单一作用过程,而是通过流动和传热的相互耦合,以及中间过程的转换,最终对光学镜片产生作用.因此,控制室内暖通空调系统的波动范围、减小镜箱内部温度变化、选用受热变形均匀和抗温度变形的镜片材料、减小温度引起的镜架热膨胀等是减小热激励影响的有效措施.

ICF驱动器中光束谐波分离技术

在激光惯性约束聚变研究过程中,激光驱动器打靶系统的光束谐波分离技术是驱动器建造研究的重要内容之一。根据高功率固体激光驱动器的发展历程,介绍了几种目前世界上正在应用的光束谐波分离技术,并对这些光束谐波分离方法的优缺点进行了对比分析。结合我国激光驱动器谐波分离技术的发展现状提出了将来的发展方向。这对大型激光驱动器的建造具有一定的指导意义。

大口径反射镜的ANSYS有限元分析及实验研究

为了研究大口径反射镜的面形,在广泛调研大口径反射镜应力控制技术的基础上,从理论模型和实验两个方面同时进行。利用ANSYS建立大口径反射镜模型,得到其重力作用下的形变和受力面积变化的D_(PV)-S关系曲线。建立了反射镜面形变化实验验证平台,对垂直放置的反射镜在不同方向上加力,利用干涉仪实测上侧面加压和背部支撑时的形变。实验验证了理论模拟结果,二者相差仅仅0.002μm～0.122μm。结果表明,这对今后进行类似的实验研究提供了值得借鉴的面形检测方法,为寻求优化的大口径反射面形控制装校方案奠定了基础。

色分离光栅对光束近场调制影响实验研究

介绍了一种用于惯性约束聚变研究的CSG衍射光栅研制情况,衍射光栅的制作采用离子束刻蚀的方法,光栅刻蚀面积为80mm×80mm。利用星光Ⅱ高功率固体激光装置实验平台对光路中插入衍射光栅后的光束近场调制变化进行了实验测试。实验结果表明,在低功率密度条件下(0.005GW/cm2)光路中插入CSG衍射光栅后,光束近场调制度没有明显的增加,相对于光束本身的调制来说,由光栅带来的调制为细微的小量调制。