DPSSL能量取得新突破

当今科技的飞速发展,要求下一代激光器能够提供更高能量的脉冲和更高的激光重复频率。更高能量的激光器将广泛应用于尖端科技领域中,这些应用领域包括先进材料加工、激光冲击强化、高能量密度(HED)物理研究,以及超高强度拍瓦级飞秒激光泵浦产生X射线、γ射线和粒子源(电子、质子和介子)。

DiPOLE指低温气体冷却多板条Yb: YAG放大器技术。DiPOLE使激光器产生的脉冲具备非常高的能量以及高重复频率,并能够实现非常精准的调整和对激光脉冲定时的精确控制。英国中央激光设施组(CLF)的高级激光技术和应用中心(CALTA)是DiPOLE的先驱。

2015年,DiPOLE系统的单级原型低温气体冷却放大器在10 Hz时实现了超过10 J的输出,其光学效率为22%。2017年,P. Mason等人首次报道了10 Hz时在两级低温放大器中将能量放大到100 J的情形,该放大器位于捷克HiLASE设施。

近日,CLF卢瑟福实验室的Saumyabrata Banerjee等报道了将DiPOLE技术放大至1 Hz时150 J的脉冲能量,这是目前文献报道的二极管泵浦固态激光器获得的最高能量。研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期上。该结果是在开发D100X的二级低温气冷放大器的过程中获得的,该放大器将提供给欧洲XFEL设施用于高能量密度科学实验。

图1. D100X激光器的3D模型。插图为105 J,10 Hz的远场图像。

图2.(a)D100X激光器具有自动脉冲整形功能的示例,可在> 75 J,10 Hz的条件下实现平顶时间轮廓;(b)10 Hz下6 h内的稳定性。

激光器的标称工作条件为100 J,10 Hz下脉宽为10 ns,具有先进的时间脉冲整形功能,可实现材料的低熵压缩。研究人员展示了来自低温气体冷却的多平板Yb: YAG激光器的150 J,1 Hz纳秒脉冲输出。该系统现已超出原来的设计规格,目前被XFEL和CLF的工程师和科学家组成的联合团队安装在XFEL的激光实验室中,用于XFEL的高能量密度终端站。

研究人员还进一步研究了激光性能对温度、二极管泵输入能量和种子能量的依赖性。激光器效率随着放大器温度的降低而提高,固定温度时,增加种子能量也观察到类似趋势。在600 J泵浦输入下,提取的激光能量增加到150 J(持续时间为1 ms),即使增加种子能量输入,效率也会降低并保持恒定。该结果表明需要温度、种子能量和泵浦输入能量的最佳组合,才能得到最佳效率,提取到最大能量。