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捷克HiLASE开启科研和高科技应用大门

2014-12-23 12:05
路过的码农
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  捷克国家的研发工程装置HiLASE(高平均功率的脉冲激光)是能量输出范围在mJ到100J范围、重复频率在10Hz到100kHz的高重复频率二极管泵浦的固态激光(DPSSL)系统,HiLASE装置将用于科研和高科技工业中。

  二极管泵浦的固态激光(DPSSL)系统的连续输出功率已到达100kW,但高能脉冲DPSSL 系统的平均功率却远小于这个功率。新的技术发展如薄碟片和多层片技术使得高能脉冲在同样高平均功率下工作在未来成为可能。许多激光工程项目都在努力用高重复频率的薄碟片或低重复频率高能的传统技术、TRAM技术、厚碟片技术、多层片技术来突破1kW平均功率的界限。

  1. 千瓦量级的薄碟片激光系统

  为了有效产生极紫外(EUV)和中红外的光,必须要有能够输出每个脉冲能量为几个毫焦耳、重复频率在1-100kHz的激光。而为了工业应用,实现一种稳健的、紧凑的和低价的激光系统来替代钛宝石脉冲激光也十分重要。薄碟片激光在亚皮秒区域具备的高脉冲能量特性使其非常适合这种应用。薄碟片激光是基于一种利用散热器上的一块超薄(约200微米)激光活性介质作为放大器。碟片的前表面镀有减反射膜,后表面则镀有增反射膜。碟片相当于活性镜子。由于碟片的直径远大于其厚度,热流主要在轴向,而横向的温度梯度非常小。光束在碟片内部的路径非常短,从而热透镜效应和机械应变不会影响光束质量。除此之外,材料中路径短也让诸如自聚焦的非线性效应最小化。另一方面碟片的厚度带来了最小的泵浦光的吸收和激光的增益。因此泵浦光和激光穿透碟片的次数都必须较高。泵浦光被抛物面的反射器和屋脊棱镜(图1)不断地反射回激光碟片中,所以吸收率可以超过90%。而激光的穿过次数通常是用再生腔或多次通过放大器来增加。在HiLASE项目中,有三个基于碟片的千瓦级激光光束。其中每一个都输出不同方的参数。束线A以1.75kHz的重复频率输出750毫焦耳脉冲能量。这一束线被分包到Dausinger和Giesen GmbH来减少整个工程高要求带来的风险。

       HiLASE研究小组正在开发束线B与束线C,分别以1kHz的重复频率输出500毫焦耳脉冲能量和100kHz的重复频率输出5毫焦耳脉冲能量。所有的束线都提供脉宽在1~3ps。束线B被传送进一个10Hz重复频率的低温放大器,该放大器之后可以升级到重复频率为120Hz的几个焦耳的脉冲输出。图2给出了HiLASE项目中每一个束线的结构示意图。

  2. 千瓦量级的多板激光系统

  为了在较低或中低重复频率下输出高能脉冲,需要采用有效的冷却机制和几何结构。一个解决方法乃是用板状的媒介,同时对板面进行主动冷却。这被称之为多板方法,首先在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Mercury激光上采用。室温下的氦气用来冷却板面,从而可以得到10Hz重复频率下60J能量的输出。下一代高能固态激光的材料将选择Yb3+:YAG陶瓷。但Yb3+:YAG是一个准三能级系统,激光运转要求较高的泵浦强度,从而增加了泵浦二极管的数目和费用。靠冷却晶体到较低温度,能图将变为四能级。这样可以把阈值强度降低好几个量级。这个概念在DiPOLE中被引进,在那里输出能量可达10J。板媒介用150K左右温度的氦气来完成冷却。下一步则是验证10Hz重复频率下超过100J的输出,这最终将导致重复频率在10Hz下单光束脉冲能量在1~10kJ的输出,同时墙插效率将超过10%。100焦耳量级的激光正在CLF(Central Laser Facility)中开发,HiLASE也参与了合作。整个系统包括了一个低能的、光纤介质的前端振荡器(约几个纳焦耳),紧接着一个可再生的放大器使输出能量到毫焦耳量级和一个薄碟片Yb3+:YAG多路放大推动器使输出到达100毫焦耳。两个二极管泵浦的,氦气冷却的大口径功率放大器将输出能力增加到7~10焦耳(主前放大器)并最终到100焦耳(功率放大器)。该系统的主要示意图如图3所示。为了优化各种放大器的参数,HiLASE小组已经完成了大量关于能量、热能和流体力学的模型计算。

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