[發明專利]一種能量與光束指向穩定控制的再生放大器及其控制方法

有效

• 申請號: 202011008051.0
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112117633B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 張鵬;石玉森;湯曉云;姜有恩;王江峰;曾沛穎;范薇;李學春
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S3/10
• 分類號: H01S3/10;H01S3/13;H01S3/23
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種能量與光束指向穩定控制的再生放大器，由光束耦合系統、諧振腔和腔外光束指向控制系統組成，諧振腔內包含有腔內光束指向控制放大組件，用于控制再生放大器的能量穩定，腔外光束指向控制系統用于控制再生放大器光束指向穩定。本發明還公開了一種利用該再生放大器實現能量與光束指向穩定的控制方法，通過標定和實時檢測諧振腔內激光放大頭位置處的模式光束的實時質心位置、模式光束的實時近場質心位置和模式光束的實時遠場質心位置，并調節電控反射鏡的角度，實現對再生放大器能量和光束指向的實時穩定控制。本發明可應用于重復頻率高功率激光系統，能夠實現諧振腔位于第Ⅱ穩定區的、能量與光束指向穩定的大模場再生放大器，具有高穩定性、高控制精度等優點。

技術領域：

本發明涉及高功率激光器的能量和光束指向穩定控制技術領域，特別是一種用于產生高能量激光脈沖的能量和指向穩定控制的大模場再生放大器及其控制方法。

背景技術：

重復頻率高功率激光系統在清潔能源、阿秒物理等前沿科學領域和精密加工、材料功能性表面處理等先進應用領域具有廣泛的應用前景。作為其中的主要組成部分，再生放大器發揮了重要作用，它是整個高功率激光系統中增益最大的單元組件，為種子脈沖提供了10⁴至10⁸增益，保證了后級放大器儲能的高效提取和高功率激光系統的高能量輸出。再生放大器的工作原理是，外部種子光源產生的輸入激光脈沖經過光束耦合系統注入到再生放大器的諧振腔內，然后開啟諧振腔內的電光開關，輸入激光脈沖在諧振腔內振蕩放大，形成腔內振蕩光束，當腔內振蕩光束被放大到預設能量后，形成模式光束，關閉電光開關，模式光束被導出腔外，形成再生放大器的輸出脈沖。其中，輸入脈沖的產生時間、電光開光的開啟與關閉時間均由外部延時脈沖發生器控制，通過控制電光開關的開啟和關閉時間，可實現對腔內振蕩光束的傳輸放大程數的控制。具體原理請參見文獻：

1.M.L.Spaeth,K.R.Manes,et al.Description of the NIF Laser’,FusionScience and Technology 69,25-145(2016)。

2.Bowers Mark,Burkhart,et al.,‘The injection laser system on theNational Ignition Facility’,Proc.SPIE 6451,64511M(2007)。

3.J.E.Murray and W.H.Lowdermilk,‘Nd:YAG regenerative amplifier’,J.Appl.Phys.51(7),3548-3555(1980)。

為充分提取激光放大頭的儲能，激光脈沖需在再生放大器腔內經過足夠多程數的傳輸放大，通常傳輸放大程數N≥60；另一方面，受限于激光脈寬和電光開關的開關速度，諧振腔需具有足夠的長度L，通常腔長L≥5m。因此，一般地，對于線性諧振腔再生放大器，激光脈沖在腔內傳輸的總距離L_total＝N*L≥300m。在這種情況下，即便環境溫度變化或腔內元件的機械蠕動對腔內反射鏡引入10μrad量級的角度失調，也會引起激光放大頭處光束質心位置發生顯著偏移，導致再生放大器光束模式、輸出能量以及指向的不穩定。

目前，能量與光束指向穩定的再生放大器的實現方法是，采用上文所引用的參考文獻1和2所提出的，利用ABCD光束傳輸矩陣對再生放大器的諧振腔進行優化設計，使諧振腔工作在第I穩定區，在這種情況下，輸出能量和光束指向對腔內反射鏡的角度失調最不敏感，該方法是一種被動式控制方法，被美國國家點火裝置中的再生放大器所采用，實現了單脈沖能量為25mJ的穩定輸出。

然而，將諧振腔設計在第I穩定區，會使模式光束尺寸受限，導致模式光束在腔內的最小直徑小于2mm，這由第I穩定區諧振腔的性質所決定，具體原理請參見文獻：