大力水手只是路过打酱油的,顺便测试一下你的年龄。废话不多说,先上图。

上图中如此庞大的装置,你看懂了吗?

小编公布答案了:第一幅图是美国国家点火装置,第二幅图是我国神光II升级装置。在这些排布密集的金属管道内,藏有大小不一的各级放大器,其目标是将激光脉冲尽可能的放大。激光脉冲通过这些放大器,其能量将提升至物理实验所需要的通量。

在我国,中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室是最早开展各类钕玻璃放大器及放大系统研究的单位,长期以来形成了光学设计、机械设计、装校调试及系统集成一体化格局,先后完成了神光I、神光II、第九路多功能光束、神光II升级等多种构型装置的放大器系统的研制,并创造了我国高功率激光发展史上的多项第一。

高功率激光物理联合实验室放大器系统的发展

神光I装置的大口径片放大器是国内第一个系列片放大器,在十多年的时间内,200 mm口径放大器是国内最大口径的片放大器。神光I装置依靠200 mm系列大口径片放大器实现500 J每束的输出能力,在当时仅次于美国Nova激光装置放大器口径及系统输出能力。

图 神光I装置100mm口径和200mm口径放大器

具有中国特色的独创性“组合式同轴双程放大+小圆屏滤波”技术,实现了神光II装置800 J每束输出,使神光II装置成为国际上第一个使用多程放大技术的高功率激光装置。这是我国第一次掌握组合式多程放大关键技术,为后来驱动器的升级换代奠定了技术基础。

图 神光II装置 2×2组合式200mm口径6-disk主放大器

Φ350 mm口径片放大器的成功研制,实现了4.7% /cm的增益系数。这是当时国内在线应用的最大口径的片放大器,为国家重大工程更大口径片放大器的研制奠定了技术基础。该多功能激光系统不断拓展功能,至今依然保持着高光束质量输出,并为物理研究提供服务。

图 神光II装置多功能光束350mm口径2-disk片放大器

神光II升级装置第一次在国内实现2×2组合口径“大口径开关+四程腔放+双程助推”构型输出,350 mm×350 mm的方形片放大器实现了4.42% /cm的增益能力,单束能量输出达8700 J。A构型验证装置实现了该口径下的片放大器5.30% /cm的增益系数、单束输出能量也达17 kJ。

图 神光II升级装置2×2组合式350mm口径8-disk腔放大器

说了这么多,你应该也猜到放大器在高功率激光装置中的作用了吧。

放大器系统——大型激光装置能量的来源和质量的保证

放大器系统是高功率激光装置中的核心部分,把电能转化为光能,包括放大器、隔离器和空间滤波器等不同的功能单元。对于一个高功率激光装置,超过99.9%的基频输出能量来源于放大器系统中的各类钕玻璃放大器,而其中又有超过80%的能量是由各类片状放大器提供。

放大器系统还是获得高质量光束的关键点。高功率激光不仅要求能量高,而且要求质量好,也就是通常说的“能放大、能聚焦”。几百毫米的光束只有分布均匀才能够得到充分放大,这远超对一般激光器的要求。

此外,放大器系统的一致性要求高。高功率激光装置包含了多束光、甚至上百束光,要求输出的每束光的品质尽可能相同,其中,光束大小、能量、功率、路径长度等参数都要相同。这些需要通过放大器系统的合理设计、元件的一致性等保障实现,其中,有些类型的元件多达数千件。

图 类NIF的大口径多程放大器系统,其构成了激光驱动器的主体

片放大器---放大器研究中的制高点

片放大器是放大器系统的核心单元,它的特性影响着整个放大器系统的性能:

片状放大器中抽运热效应导致的瞬时波前畸变是高功率激光装置动态波前畸变的唯一来源;

片状放大器的热恢复时间决定了高功率激光装置的发射时间间隔;

片状放大器中的氙灯以及配套能库的可靠性是影响高功率激光装置可靠性的最重要因素;

片状放大器(含能源)是高功率激光装置中最昂贵的器件。

在美国的NIF装置中,片状放大器(含能源)成本占到了装置总成本的28.80%。这几个方面都与片状放大器的增益性能密切相关,即片状放大器的性能制约着高功率激光装置的性价比、光束质量、工作频率以及可靠性,也是历来片状放大器研究的核心问题。

表征片状放大器增益性能的指标包括三个:平均增益系数、增益分布均匀性以及储能效率。片放大器的优化设计也都围绕这些参数展开。提高平均增益系数可以使系统具备更大的输出能力,而良好的增益均匀性可以保证基频输出近场具有良好的均匀性,储能效率则可表征电能到光能的转化率。这对于目前大口径钕玻璃激光器来说是一个很大的挑战,即使NIF组合口径片状放大器也仅仅实现了2.79%以上的储能效率。

放大器的未来发展

在多年的研究发展中,尽管放大器口径不断增大、系统的规模和输出能力不断提高,但增益与效率一直是核心问题,而高光束质量的输出则是增益与效率的前提和基础。

合理优化结构和物理参数配置、提升放大器的插电效率是放大器发展的重要方向之一,这不仅可以降低大型激光装置建造和运行的成本,还可以改善光束品质。而提高放大器的支持带宽和工作频率是片放大器发展的重要方向之一。此外,研究新的放大器系统构型,满足未来聚变级能源需求将是未来数十年的发展重点。