本發(fā)明屬于激光核聚變的激光器設計技術(shù)，具體涉及一種具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源。

背景技術(shù)：

在慣性約束核聚變領(lǐng)域，由于等離子體增長不穩(wěn)定性而對驅(qū)動聚變的激光空間均勻性和激光脈沖形狀提出了明確要求。作為激光核聚變的重要候選激光器，氟化氪準分子激光裝置通過在系統(tǒng)前端采用無階梯誘導非相干技術(shù)(efisi)獲得高均勻性的光束空間分布截面，進而通過像傳遞系統(tǒng)將此光束截面投射到靶面實現(xiàn)對聚變靶的均勻輻照。

目前，自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準分子激光器輸出脈沖寬度多為脈沖寬度在十納秒以上的類泊松分布脈沖，具有較快的上升沿和緩慢的下降沿，不能滿足聚變研究對激光脈沖形狀和寬度的需求。由于氟化氪激光工作在深紫外波段，而且efisi技術(shù)產(chǎn)生的光脈沖具有寬頻帶、部分非相干特性，因此，傳統(tǒng)的電光削波器件以及受激布里淵散射(sbs)和拉曼散射(srs)技術(shù)難以適用于紫外非相干激光脈沖壓縮。

基于激光增益介質(zhì)的增益飽和特性，多種構(gòu)型的飽和增益開關(guān)方案均可在準分子激光裝置上實現(xiàn)激光脈沖壓縮。由于這些方案需利用額外提供高強度的激光脈沖控制激光放大介質(zhì)的增益，以實現(xiàn)對低強度種子光脈沖的壓縮效果，不但結(jié)構(gòu)復雜，而且浪費了接近80％的種子光源能量和一半以上的放大級泵浦功率。由于放大后的控制激光脈沖自由耗散，不但嚴重降低了激光裝置的電-光轉(zhuǎn)換和利用效率，甚至會影響到裝置、工作環(huán)境和人員的安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，在高功率準分子激光系統(tǒng)的前端獲得脈沖寬度更短的非相干種子光，簡化準分子激光系的非相干光脈沖的壓縮方案，進一步改善高功率準分子激光系統(tǒng)泵浦功率的利用效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，包括自由運轉(zhuǎn)的準分子激光器，所述準分子激光器設置在由前腔鏡和后腔鏡組成的激光腔內(nèi)，所述前腔鏡為中心打孔的球面反射鏡，所述后腔鏡為平面反射鏡；自由運轉(zhuǎn)的準分子激光器作為非相干光源，輸出的放大自發(fā)輻射通過前腔鏡的中心孔，獲得高均勻性的光束分布截面，同時，旁軸傳輸?shù)臏史肿幼园l(fā)輻射在前腔鏡與后腔鏡組成的激光腔內(nèi)多次反射發(fā)生自激振蕩，強度逐步放大直至飽和，利用分布在前腔鏡中心孔以外的旁軸光作為增益控制脈沖對近軸光脈沖的后沿進行壓縮，從而在前腔鏡中心孔處輸出脈沖后沿部分被壓縮、空間分布均勻的放大自發(fā)輻射(ase)光脈沖。

進一步，如上所述的具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，其中，所述前腔鏡的中心孔為錐形孔，錐形孔的激光入口直徑小于出口直徑。

更進一步，所述錐形孔的激光入口邊沿厚度應小于口徑的1/10，對于通過的放大自發(fā)輻射要足夠銳利，可視為光學系統(tǒng)的“刀口”。

更進一步，所述錐形孔的激光入口直徑為6.8mm。

進一步，如上所述的具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，其中，所述前腔鏡的光學口徑需與自由運轉(zhuǎn)的準分子激光器輸出的光束分布截面相匹配，球面曲率半徑應確保振蕩輸出的激光不會再次通過中心孔對自壓縮非相干光脈沖造成干擾。

更進一步，所述自由運轉(zhuǎn)的準分子激光器的激光窗物理口徑為38.1mm，所述前腔鏡為直徑50mm的球面反射鏡，球面曲率半徑為980mm。

進一步，如上所述的具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，其中，所述的后腔鏡的反射率為90％-99％。

進一步，如上所述的具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源，其中，所述激光腔在確保光束界面強度分布均勻的基礎(chǔ)上，將非相干準分子光脈沖寬度壓縮至二分之一以下。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明可在不影響無階梯誘導非相干準分子激光光源均勻性的前提下，實現(xiàn)準分子激光脈沖的自壓縮，且對激光的帶寬、偏振、相干性等特性無特殊要求。與傳統(tǒng)“增益開關(guān)”在放大器進行脈沖壓縮相比(表1)，本發(fā)明利用自由運轉(zhuǎn)激光器中對光束均勻性無貢獻的旁軸光脈沖實現(xiàn)對沿軸向輸出非相干光脈沖的壓縮，由于不需要額外的高強度控制激光脈沖，極大簡化了準分子激光壓縮方案的復雜性，有效節(jié)約了方案的實施成本。同時，具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源在準分子系統(tǒng)前段實現(xiàn)短脈沖輸出，將極大提升高功率準分子激光裝置的種子光源利用效率，也有助于改善準分子激光裝置的泵浦功率利用效率。

表1.幾種脈沖壓縮方案的比較

附圖說明

圖1為本發(fā)明具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2-1、圖2-2為本發(fā)明具體實施例中前腔鏡的球面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明具體實施例中通過激光腔壓縮前后的激光脈沖波形圖；

圖4為本發(fā)明具體實施例中前腔鏡中心孔處光束截面的強度分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

本發(fā)明所提供的具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源的核心概念是在利用非相干光源的近軸光照射物孔光闌獲得光強分布高度均勻的光束界面的同時，充分利用分布在物孔光闌以外的旁軸光作為增益控制脈沖對近軸光脈沖的后沿(下降沿)進行壓縮。

脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：由自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準分子激光器1、后腔鏡2、前腔鏡3和前腔鏡中心處作為可變密度吸收體的物孔4構(gòu)成。前腔鏡3是一個中心打孔的球面反射鏡，后腔鏡2為平面反射鏡。前腔鏡3中心的小孔作為可變密度吸收體與后腔鏡構(gòu)成傳統(tǒng)的無階梯誘導非相干光學腔，自由運轉(zhuǎn)的準分子激光器1作為非相干光源，輸出的放大自發(fā)輻射通過物孔4，獲得高均勻性的光束分布截面。同時，旁軸傳輸?shù)臏史肿幼园l(fā)輻射在球面全反鏡與平面全反鏡組成的激光腔內(nèi)多次反射發(fā)生自激振蕩，強度逐步放大直至飽和。增益介質(zhì)中的上能級粒子(準分子)將在旁軸光振蕩放大過程中被強行抽取耗盡，造成增益介質(zhì)中的準分子在近軸方向上不足以形成一定強度的放大自發(fā)輻射，即增益介質(zhì)“開關(guān)”關(guān)閉。能夠通過小孔的自發(fā)輻射由于強度遠低于旁軸光的強度，在爭奪上能態(tài)離子的競爭中處于劣勢，不能得到充分放大甚至強度逐減降低，即僅有前一部分得到充分放大形成放大自發(fā)輻射(ase)。這樣就在小孔處輸出脈沖后沿部分被壓縮、空間分布均勻的ase光脈沖。

構(gòu)成具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光腔的核心器件是兼作物孔光闌和前腔鏡的球面反射鏡。球面反射鏡的光學口徑需與自由運轉(zhuǎn)激光束輸出的光束分布截面相匹配。由于球面反射鏡中心加工的錐孔作為無階梯誘導空間非相干(efisi)技術(shù)中關(guān)鍵器件可變密度吸收體(vda)——物孔光闌，因此需要確保錐孔的入口對于通過小孔的放大自發(fā)輻射而言足夠銳利，可以視為“刀口”，一般來說，錐孔的激光入口邊沿厚度應小于口徑的1/10。為保證物孔處光束截面強度分布的均勻性，錐孔的大小需要與電極在增益介質(zhì)中形成的放電通道寬度(增益區(qū)寬度)相匹配。

光學腔后腔鏡②可選擇反射率為90％-99％的平面高反鏡，對于通過小孔的自發(fā)輻射而言，后腔鏡可以有效增加自發(fā)輻射的在介質(zhì)中的增益長度，從而增強輸出非相干光的強度。對于旁軸自發(fā)輻射而言，后腔鏡作為振蕩輸出窗。

小孔之外的球面反射鏡與后腔鏡構(gòu)成光學振蕩腔放大未能通過小孔的旁軸自發(fā)輻射光，球面反射鏡的曲率半徑可以根據(jù)振蕩腔構(gòu)型需要選取不同參數(shù)，只需確保振蕩輸出的激光不會再次通過小孔對自壓縮非相干光脈沖造成干擾即可。

根據(jù)自發(fā)輻射的脈沖形狀，增益介質(zhì)的增益系數(shù)以及前腔鏡輸出/反射光線的比例，該激光腔可在確保光束界面強度分布均勻的基礎(chǔ)上，將非相干準分子光脈沖寬度壓縮至二分之一或者更短。

實施例

本發(fā)明將具有脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光光源應用于“天光一號”高功率準分子激光系統(tǒng)，在系統(tǒng)前端種子光源上獲得了3-6納秒的短脈沖輸出。

“天光一號”系統(tǒng)的前端是放電泵浦的氟化氪準分子激光器lpx-150，該激光器由兩個放電腔構(gòu)成，其中振蕩腔已經(jīng)采用無階梯誘導非相干技術(shù)改造為高均勻性種子光源(見“向益淮，高智星，佟小惠，戴輝，湯秀章，單玉生，‘天光一號’平滑化角多路系統(tǒng)的建立，強激光與粒子束，18(5)2006，795-798”)，自由運轉(zhuǎn)的振蕩腔輸出放大自發(fā)輻射能量接近100毫焦，通過物孔后形成30毫焦的非相干脈沖輸出，脈沖半高寬接近12納秒，上升沿8納秒左右。振蕩腔輸出的非相干光脈沖經(jīng)過放大腔放大后，脈沖寬度展寬至24納秒，激光能量接近300毫焦。

本實施例中利用脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光腔對種子光源進行了進一步的改造，即利用中心打孔的球面反射鏡取代原光束平滑方案中的可變光闌獲得脈沖寬度更短的非相干光脈沖輸出。lpx-150激光窗的物理口徑為38.1毫米(1.5英尺)，考慮到放大自發(fā)輻射光束在傳輸過程中的擴散，選擇直徑50毫米的球面反射鏡作為激光腔的前腔鏡，球面曲率半徑980毫米(接近原物孔到后腔鏡的間距)。由于原光束平滑方案中可變光闌的通光口徑為6.8毫米，因此在球面反射鏡中心加工通光口徑為6.8毫米的椎孔作為無階梯誘導非相干光學腔的物孔，以獲得高均勻性的光強分布截面(如圖2-1、2-2所示)。由于椎孔的入口對于通過小孔的放大自發(fā)輻射而言足夠銳利，可以視為“刀口”，因此可以確保光束截面邊緣足夠陡峭，且盡可能減小非相干光通過小孔時形成雜散光的可能。

利用圖1所示的脈沖自壓縮特性的無階梯誘導非相干準分子激光腔將旁軸光反射進自由運轉(zhuǎn)的激光腔后，可以成功的在輸出端觀察到壓縮的放大自發(fā)輻射輸出，非相干光脈沖甚至可以被壓縮到納秒左右(圖3中ch2)，此時輸出光脈沖能量小于3毫焦，已經(jīng)不能正常觸發(fā)用于能量觀測的le-3能量計(中科物科)。利用激光界面分析儀對物孔位置的光束界面測試結(jié)果證實，該激光腔構(gòu)型可以有效保持無階梯誘導非相干準分子激光光源的均勻性(如圖4所示)。

將自壓縮的非相干準分子激光脈沖注入lpx激光器放大腔進行多程放大后，理論上可以在lpx激光器上獲得100毫焦的能量輸出，脈沖寬度接近6納秒。將此脈沖二次分束后注入天光系統(tǒng)的前級放大器chel3300和預放大器放大，預期可以獲得200毫焦×12束的脈沖輸出，脈沖寬度應為6-8納秒，強度足以驅(qū)動“天光一號”系統(tǒng)的主放大器飽和。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。