[发明专利]一种能量与光束指向稳定控制的再生放大器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种能量与光束指向稳定控制的再生放大器，由光束耦合系统、谐振腔和腔外光束指向控制系统组成，谐振腔内包含有腔内光束指向控制放大组件，用于控制再生放大器的能量稳定，腔外光束指向控制系统用于控制再生放大器光束指向稳定。本发明还公开了一种利用该再生放大器实现能量与光束指向稳定的控制方法，通过标定和实时检测谐振腔内激光放大头位置处的模式光束的实时质心位置、模式光束的实时近场质心位置和模式光束的实时远场质心位置，并调节电控反射镜的角度，实现对再生放大器能量和光束指向的实时稳定控制。本发明可应用于重复频率高功率激光系统，能够实现谐振腔位于第Ⅱ稳定区的、能量与光束指向稳定的大模场再生放大器，具有高稳定性、高控制精度等优点。

技术领域：

本发明涉及高功率激光器的能量和光束指向稳定控制技术领域，特别是一种用于产生高能量激光脉冲的能量和指向稳定控制的大模场再生放大器及其控制方法。

背景技术：

重复频率高功率激光系统在清洁能源、阿秒物理等前沿科学领域和精密加工、材料功能性表面处理等先进应用领域具有广泛的应用前景。作为其中的主要组成部分，再生放大器发挥了重要作用，它是整个高功率激光系统中增益最大的单元组件，为种子脉冲提供了10⁴至10⁸增益，保证了后级放大器储能的高效提取和高功率激光系统的高能量输出。再生放大器的工作原理是，外部种子光源产生的输入激光脉冲经过光束耦合系统注入到再生放大器的谐振腔内，然后开启谐振腔内的电光开关，输入激光脉冲在谐振腔内振荡放大，形成腔内振荡光束，当腔内振荡光束被放大到预设能量后，形成模式光束，关闭电光开关，模式光束被导出腔外，形成再生放大器的输出脉冲。其中，输入脉冲的产生时间、电光开光的开启与关闭时间均由外部延时脉冲发生器控制，通过控制电光开关的开启和关闭时间，可实现对腔内振荡光束的传输放大程数的控制。具体原理请参见文献：

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)。

为充分提取激光放大头的储能，激光脉冲需在再生放大器腔内经过足够多程数的传输放大，通常传输放大程数N≥60；另一方面，受限于激光脉宽和电光开关的开关速度，谐振腔需具有足够的长度L，通常腔长L≥5m。因此，一般地，对于线性谐振腔再生放大器，激光脉冲在腔内传输的总距离L_total＝N*L≥300m。在这种情况下，即便环境温度变化或腔内元件的机械蠕动对腔内反射镜引入10μrad量级的角度失调，也会引起激光放大头处光束质心位置发生显著偏移，导致再生放大器光束模式、输出能量以及指向的不稳定。

目前，能量与光束指向稳定的再生放大器的实现方法是，采用上文所引用的参考文献1和2所提出的，利用ABCD光束传输矩阵对再生放大器的谐振腔进行优化设计，使谐振腔工作在第I稳定区，在这种情况下，输出能量和光束指向对腔内反射镜的角度失调最不敏感，该方法是一种被动式控制方法，被美国国家点火装置中的再生放大器所采用，实现了单脉冲能量为25mJ的稳定输出。

然而，将谐振腔设计在第I稳定区，会使模式光束尺寸受限，导致模式光束在腔内的最小直径小于2mm，这由第I稳定区谐振腔的性质所决定，具体原理请参见文献：