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激光玻璃进入主流应用市场

2015-10-05 00:03
姚看江湖
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  激光玻璃由传统的非晶玻璃掺杂稀土离子构成,适用于肖特各种配方,如LG680,LG750,LG760和LG940。配方随着基础玻璃材料的变化而变化,通常是磷酸盐或硅酸盐玻璃,以及活性掺杂离子。高功率激光器系统建造基础的激光玻璃所具有的特性与日常使用的理想材料有很多相同点:材料均匀性、输出峰值功率、可扩展性和成本效益。

  激光玻璃特性

  目前用于国家点火装置(NIF)和激光兆焦耳项目的高度均匀、米级厚板掺钕磷酸酯激光玻璃以及所有市售激光玻璃类型,无论平板还是棒状,都可以用于制造大口径激光玻璃,产生高峰值功率激光脉冲。基于这种大口径激光玻璃器件的成功项目例子很多,包括极端光基础设施(ELI)、阿波罗、神光、GIST、子束波、Mégajoule,、VULCAN和 PHELIX。

  作为一种非定型固体,玻璃可以被制作成高标准、高纯度和均匀性,而且不受尺寸和版式限制,市售尺寸可达800×400×60 mm。即使晶体材料可能支持较高的重复率和更高平均功率,但是制造大尺寸的晶体价格昂贵,而且不具备大容量激光玻璃的储能。

  对掺钕磷酸盐玻璃和其他类型稀土元素掺杂玻璃的研究接近峰值功率和波长的边界,过去十年仍然不知道如何产生拍瓦脉冲,但是最先进的发展已经考虑到exa瓦脉冲激光器解决方案了。对于这些应用,宽发射频带比较受青睐,因为光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)与这些种类发射频带容易得多。

  易弯曲原型设计和制造工艺使得为建造玻璃基激光器的特殊用途提供合适成本激光玻璃及器件成为可能。与此相反,晶体掺杂离子很难达到均匀浓度分布而且很难达到高掺杂水平,例如,晶体材料很难达到> 15×1020Yb3+ ions/cm3掺杂水平。

  从历史上看,玻璃材料与稀土掺杂晶体相比的一个缺点是低热导电率,但是在开发低折射率随温度变化函数的玻璃时也取得了巨大进步,避免了热透镜效应以及更好的整体热机械数值。

  通过使用新的玻璃基质和活性掺杂物组合,激光玻璃的潜在应用近年来大大扩展,这不仅仅适用于exa瓦级激光器,实际上,激光玻璃正在超越大规模应用并进入日常使用。

  因其更广泛发射带宽(通常超过20nm)和有效的能量存储,激光玻璃特殊类型如LG680和LG7xx系列支撑拍瓦峰值功率激光脉冲。因为制造工艺是完全可扩展的,可以采用传统光学处理完成,适用于大型系统如NIF、Mégajoule激光器和ELI支柱以及前面提到的超大型系统。

  如此大的功率才可能有效地产生中子、质子和X射线。涉及的机械力学包括等离子体生成和自由电子加速(尾场)如捷克ELI白皮书所描述的。

  这些系统最终目标不仅仅是基础研究,例如,亚原子粒子的精密数据流关注于恶性肿瘤,将辐射损伤降到最低,中子或X-射线束可以扫描车辆检测核设备和其他有害物品,通过分析亚原子粒子和搭载材料的相互作用,高功率激光束以直接驱动和惯性聚变方式撞击氚靶,产生巨大压力使靶崩溃,氢熔变成氦并释放大量能量。

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