DiPOLE100项目建设进展
英国STFC阿普尔顿实验室中央激光设施（Central Laser Facility-CLF）的研究人员在高功率、高能、高强度激光器技术国际会议上介绍了CLF正在为HiLASE项目建造的DiPOLE100项目，低温气体冷却DPSSL系统基于Yb：YAG多板条放大器技术，设计有效输出100J脉冲、脉冲持续时间2-10ns、重复频率高达10Hz。
介绍
最近，一个缩小比例的原型放大器已经超过设计规范输出波长1030nm、能量10.8J、重复频率达10Hz、光–光转换效率22.5%的脉冲。紧随这一大型激光器取得的成功，正在开发的DiPOLE100将证实低温冷却放大器概念的可扩展性，目前的激光器系统是为捷克共和国的HiLASE项目建设的，在完全集成的控制系统中，输出100J时域整形纳秒脉冲、频率10Hz。第二个正在建设的系统是欧洲XFEL项目的高能量密度光束，由英国STFC和EPSRC联合主办。
表1 DiPOLE100的靶性能参数
DiPOLE100的靶性能参数如表1所示，系统包括三大主要器件：第一部分称为前端，提供脉宽为2ns-10ns精确的时间和空间整形脉冲，能量级别100mJ，输出波长在1030nm范围可调谐，随后作为10J低温放大器的种子光源，放大器的设计类似于原型DiPOLE系统。10J放大级输出经调制后被100J低温功率主放大器放大，DiPOLE100的流程示意图如图1所示，整个系统占据18 m x 2.5 m的光学平台，整个自由空间光学路径长度大约是100米。图2所示为将要安装在布拉格郊外的HiLASE设施的DiPOLE100系统想象图。
图1 DiPOLE100激光系统流程图
图2 DiPOLE100激光系统安装在HiLASE基础设施上的想象图
前端
前端包括三个子系统：光纤基种子源、再生放大器（Preamp#1）、多级前置放大器（Preamp#2），以及两级前置放大器之间的空间整形。
光纤种子光源由法国IDIL光纤光技术公司提供，由19英寸齿条安装光纤耦合模块构成。第一组模块是CW振荡器，振荡器输出经声光调制器（AOM）削减至脉宽为150ns脉冲，经削减的输出脉冲经选择性相位调制反馈，随后脉冲又经过多级光纤放大器放大。
一级前置放大器采用法国Amplitude公司提供的Yb：CaF2再生放大器。放大器在980nm波长连续泵浦，保证放大器的重复频率为300Hz。光纤种子光源的输出直接连接到放大器后面保证光学平台的稳定性并降低其对空间要求。
再生放大器输出的2mm直径高斯光束通过第二个普克尔斯盒，在进一步放大之前经历空间整形。空间整形设备基于无源整形设计，光束在经折射光束整形器开始整形前使用伽利略望远镜扩展，将光斯光束转变成平顶的圆型轮廓。
图3 DiPOLE100激光系统前端系统的模块和图片
二级前置放大器采用的是德国lastronics公司提供的晶体Yb：YAG激光器。
10J冷却放大器
10J低温放大器的设计类似于DiPOLE项目先前验证的原型机。放大器包括一套四台陶瓷Yb：YAG增益磁盘（Yb掺杂百分比分别是1.1、2.0、2.0、1.1），每个磁盘外面都包着5mm宽的掺铬YAG吸收包层，磁盘的尺寸是直径55mm，厚度5mm，磁盘间有1.5mm间隙，允许冷却氦气流以典型温度冷却。放大器经一对940nm二极管源泵浦，每个二极管以10Hz频率发射29kW峰值功率脉冲，典型脉宽为1ms。
图4 10J低温放大器示意图
DiPOLE100为10J放大器的额外设计改善：
● 新型紧凑放大器头部结构更方便接近增益介质入口；
● 放大器头部的分离真空包层降低了真空底部压力；
● 精确的进气流调节进一步改善氦气流和随后的冷却均匀性；
● 改善多路提取架构确保校准更简易；
● 七通道保证每条通道的衰减增益运行进一步最小化ASE风险；
● 有源光束稳定性改善指向稳定性；
● 偏振控制降低源自二色性泵浦耦合光学器件的往返损失；
● 通过引入普克尔斯盒临时过滤器选择性改善光隔离；
● 每天通道诊断（NF和FF照相机）；
● 非同步暗场允许放大器光学器件状况的连续监控；
100J冷却放大器
100J主冷却放大器是10J放大器的升级版本，采用同样的陶瓷Yb：YAG多板条结构，氦气流面部冷却至近低温温度。
图5 100J低温放大器主要关键器件示意图
100J放大器头部由六个陶瓷YAG增益条构成，每个板条之间间隔2mm间隙，安装在空气动力学整形叶片上确保气流一致性以及每块板条表面的冷却，泵浦（940nm）和放大（1030nm）光束通过一对熔解硅穿过头部真空窗口（直径180mm，厚度20mm）和蓝宝石压力窗口（直径165mm，厚度20mm）。
放大器头部由一对940nm泵浦源泵浦，每个泵浦源发射峰值功率为～250kW脉冲，脉宽1.2ms，频率10Hz，相应的平均功率3kW。每个泵浦源由27个二极管堆叠构成，每个堆叠发射～12kW峰值功率。
100J放大器的陶瓷YAG增益板条由日本神岛化学公司制造。每根8.5mm厚的板条有100mm平方掺Yb区域被10mm宽掺铬吸收包层包围，阻止无用寄生振荡器的堆起。
100J放大器的低温气体冷却系统的设计类似于10J系统，都是通过控制液体氮热交换器，冷却能力达6kW。
为了提取和存储100J放大器的能量，10J放大器受制约种子光束通过放大器头部利用一个有角度的多路复用结构放大四倍。940nm泵浦光束沿放大器轴向传播，1030nm放大器光束离轴耦合。选择合适的角度阻止放大器头部光学表面的反射耦合进入邻近光通道。
为确保和维持校准，每个光通道都包括空间光束诊断以及非同步脉冲暗场系统。
编译自：Paul D. Mason .DiPOLE100: A 100 J, 10 Hz DPSSL using cryogenic gas
cooled Yb:YAG multi slabamplifier technology. Proc. of SPIE Vol. 9513, 951302
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