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用于动态压缩研究的100J级紫外激光器
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

用于动态压缩研究的100J级紫外激光器


一种100J351nm波长的激光器被开发出来应用于先进质子源中的动态压缩部分。该激光器将驱动固态材料中的冲击波,该材料将由同步源产生的皮秒级X射线进行探测。该激光器利用尖端光纤前端来提供最多20ns长度的脉冲,并剪裁脉冲波形,以优化冲击波轨迹。一台二极管泵浦的钕玻璃再生放大器后跟着一台四程放大棒状放大器。该再生放大器设计为可以高质量产生最大达20mJ的能量。终端放大器在OMEGA激光器设计的基础上使用了六程放大,15厘米口径的片状放大器。一块KDP II/II型三倍频转换器将1053nm的激光输出转换成351nm的波长,并将紫外光束像传递至靶室。光谱色散滤波与偏振滤波进行了优化,以在被测材料上产生均匀的冲击波。客户控制软件采集所有诊断信息,并为激光器运行的所有方面提供中央控制单元。

  1. 简介

先进质子源中的动态压缩部分(DCS)是一台开创先河的实验用户装置。

一个100J的脉冲激光将补充到受影响的装置和其他驱动器中,以实现短持续时间及高压力的冲击负载。由于这是一台用户装置,激光器的高度可靠性是必要的条件。全世界有许多100J量级的激光器,其中大部分位于研究装置中。这些激光器往往是内部开发的,并要求进行持续地监管以维持性能。运行的成本及挑战性对该类激光器的广泛采用作出了限制。本次开发的目标是生产一种高可靠性,坚固耐用,且易于使用的100J量级激光器。

激光器的设计参数显示在表1中。除了这些参数之外,匀滑的焦斑对于在靶上发射出均匀的冲击波也是非常重要的。而这将由光束匀滑技术实现。更高的重复频率将对DCS以及其他应用有益,但这可能不在目前的工作范围及时间表中。然而,也可能用高平均功率放大器升级激光器末级,并将允许更高的重复频率。

Parameter

Value

Laser Energy

100J(3ω) 200J

Wavelength

351nm(3ω)

Repetition Rate

1 shot every 20 minutes

Spot size

500 mm flat top

Prepulse Constrast

>106:1 for 100ns

>108:1 for 100ms

Shot to Shot reproducibility

<+/- 3.0%

Operating crew

Single trained operator

1 DCS激光器规格

  1. 激光器设计

DCS激光器采用的是主振荡器加功率放大器(MOPA)设计。整体激光器结构见图1。激光产生于一台尖端的光纤前端。再生放大器作为种子源产生约20nJ的能量。该光束随后被切趾器整形以在激光器的输出端产生一个平顶光束。一台四程棒状放大器将能量放大至2J。随后该光束将作为种子光进入15厘米片状放大器,并将能量放大至约200J。终端光学件包将波长转变为351nm,并包含光栅以进行光束匀滑,还包含一台分布式偏振旋转器(DPR)以进行额外的匀滑。焦点尺寸由分布式相位板(DPP)设定,并用非球面透镜聚焦到靶上。充分诊断的光束对于为实验者提供精确的初始条件而言是必需的。等效靶平面(ETP)诊断法被用来测量焦斑的振幅截面。时间脉冲波形与输出能量也同时提供给实验者。

1 DCS激光器系统体系架构图

  1. 实验结果

激光器目前正在建设中。所有主要子系统都已安置到线上,系统集成也正在进行中。接下来的部分将分别介绍子系统的运行特性。

3.1集成前端光源(IFES

IFES安装在单个设备架上,并需要最少的日常照料。AWG的分辨率为125ps,而脉冲波形由一个含800个数据点的记录确定。IFES的输出需要被整形,这样可补偿放大链中的非线性失真。图7显示的是来自IFES和再生放大器的输出脉冲波形。目标为再生放大器输出一个平顶脉冲波形。随着其它放大器陆续上线,输入将进行进一步的调整以达到想要的输出。

7 集成前端种子源及再生放大器的输出脉冲波形


3.2再生放大器

再生放大器的10分钟稳定性测试结果见图8。二极管泵浦放大器表现良好。实习了要求的20mJ能量输出,且标准差0.49%。将再生放大器与所有可能导致不稳定性的热源隔离开。这包括在腔外布置隔离外壳,并将准直摄像头放置于外壳的外面。以2.7Hz左右的频率工作,棒内的热透镜效应是最小的。

8 再生放大器稳定性测试

再生放大器的光谱如图9所示。荧光显示增益在系统带宽内是相对平的。来自于调频调制,用以光束匀滑的边带在输出脉冲光谱中可以清晰地看到。

9 再生放大器光谱性能

3.3四程棒状放大器

2.2kV的电压下棒状放大器可产生最大约8倍的小信号增益。图10所示的是3mJ输入下的放大器输出能量。目前的设计中,氙灯电压要求达到1.8kV以产生所需的800mJ能量。该电压将保证氙灯的可靠性能与长工作寿命。

10 棒状放大器输出能量与氙灯电压关系图


3.4六程片状放大器

片状放大器的初始测试在氙灯电压为10kV,且没有可测量寄生效应的情况下产生了一个单程小信号增益为3.0倍的信号。这满足了要求并留下了足够的余量(最大电压为14.1kV),以补偿氙灯疲劳时的氙灯输出下降。


  1. 讨论与结论

如简介中提到的,几乎所有的DCS激光器组件已经在不同的系统上得到了证明,但这些组件从来没有集成在这样尺寸的单个激光器系统中。为了实现希望的系统集成水平,必须要有一个控制系统来将所有这些子系统整合在一起,该控制系统需有直观且对用户友好的软件包。一个基于网络的图形用户界面(GUI)使操作者可以控制激光器运行的各个方面。激光器可由孤立的局域网内的任意装置访问。除了主控制站外,一台通过无线连接到网络的笔记本电脑使操作者可观察所有位于激光器附近或靶室附近的准直摄像机和诊断系统。发射顺序由一系列向导驱动以确保在高能量发射前激光器已经完全准直并检查完毕。

在高重复频率,高能量激光器系统方面还有很大的兴趣,而DCS激光器可升级用于高平均功率的应用中。IFES和再生放大器目前具有数赫兹运行的能力。为了增加系统重复频率,最重要的升级是将高能量片状放大器替换为可处理高平均功率的设计。两个简单的改进是使用激光二极管作为泵浦源以及把增益介质做薄以使热量更有效地释放。研究人员对基于薄片设计的先进放大器概念进行了调查。该设计概念采用横向泵浦的放大器片,该片连接着一个热沉。放大器是模块化的,且多个元件将应用于单个放大器平台,来达到要求的能量。实验的模型显示该设计可使100J级的系统以10Hz的重复频率工作。该领域进一步的分析正在进行中。

总而言之,研究人员正在搭建一台100J级,351nm波长的钕玻璃激光器用于动态压缩研究。激光器设计旨在获得持续,可靠的性能。一个以GUI为基础的用户控制系统集成了所有激光器操作,使单个操作者可在一个位置观察到整个激光器的健康状况与性能。该激光器将在后半年安装到DCS系统中。

顾侃摘译自:100-J UV Laser for Dynamic Compression Research. J. Zweiback, S. F. Fochs, J. Bromage. et. al. Proc. Of SPIE 9726, 97260N.




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