服务解决方案

  激光汤姆孙散射诊断是国际公认的最为准确的测量等离子体电子温度的方法，也是技术难度最高的几个热核聚变装置诊断的手段之一。激光器是激光汤姆孙系统的关键器件，而激光器的技术指标——重复频率、光束质量、脉冲能量直接决定了激光汤姆孙仪器的诊断能力。

    在这些现有的实验装置中，由于激光器重复频率低，建成的汤姆孙散射仪器只能用于缓慢变化的等离子体参数诊断，对一些快变的关键物理过程，如边界局域模的研究就无能为力。高重复频率是磁约束聚变等离子体诊断的发展趋势．我国激光汤姆孙散射系统受激光光束质量的限制，仍无法满足高精度的空间分辨率测量。因此，激光器的重复频率和光束质量是影响激光汤姆孙散射诊断时间、空间分辨的重要因素。而激光器的能量决定了单个待测体积内的光子数，增强激光器输出能量亦是激光汤姆孙诊断研究中的关键问题。

    基于激光二极管抽运棒状放大器和板条放大器相结合的方式，研制了一台应用于汤姆孙散射诊断的高重复频率、高光束质量焦耳级的Nd:YAG纳秒激光器．激光器采用主振荡功率放大的结构，主要包括单纵模种子、预放大单元和能量提取单元三部分．为了获得高光束质量的激光输出，采用相位共轭技术对激光光束畸变进行补偿．在重复频率200Hz、单纵模种子注入单脉冲能量8.23J的条件下，获得了1.85J的能量输出．输出激光的脉冲宽度为5.36ns，远场光斑为1．72倍衍射极限，能量稳定性(RMS)为1.3％。

    激光器主要包含单频种子、预放大单元和能量提取单元三个部分。单频种子负责输出能量为uJ量级的高光束质量单纵模种子激光。脉冲单频激光器为半导体抽运的Nd：YAG激光器，采用声光调制器实现主动调Q，采用标准具实现单纵模运转，利用压电陶瓷精确控制谐振腔长，实现ns级单频脉冲的稳定输出。其主要技术指标为光束指向精度小于150urad，在30-40 ns单脉冲时间内无跳变，光束质量M^2 小于1.2，线偏振度大于100:1．预放大单元将uJ量级的脉冲激光放大到数百mJ量级，并实时矫正预放大过程热效应造成的光学畸变。能量提取单元实现高增益放大，最终输出高光束质量的激光。

    预放大单元的单频种子输出的激光经透镜Ll将光束口径准直为φ1 mm （光强的1／e^2)后进入下一级光路。光路中所有法拉第前后均有PBS。由于Nd：YAG 晶体具有严重的热退偏特性，光路中放置四分之一波片消除热退偏。光路中的两个二分之一波片用于将线偏振光的偏振态旋转90°，使偏振态与其后的法拉第匹配。光路中所有Nd:YAG 激光放大器均采用激光二级管侧面抽运。放大器AMP1，AMP2激光晶体的尺寸为φ3 mm ×67 mm，掺杂浓度为0.8％，在重复频率200Hz、抽运脉宽250us、抽运电流 120A时，储能为0.152J．放大器AMP3，AMP4激光晶体的尺寸为φ 6.35 mm ×140 mm，掺杂浓度为0.6％，在重复频率200Hz、抽运脉宽250us、抽运电流70A时，储能为0.79 J．成像透镜组L2，L3与L4，L5起像传递与准直激光的作用，透镜组中配有空间滤波器，用于去除光束中的高频分量以保证高光束质量的激光输出。放大器AMP3与AMP4串联放置，中间插入90°石英旋光器补偿高重复频率下激光放大器的热致双折射效应，透镜L4用于补偿两个放大器的热透镜效应。

    由于热效应，高功率激光放大系统不可避免地存在热畸变，随着激光能量的不断放大，光束畸变越来越严重，即使采用热补偿、空间滤波等措施，也无法获得近衍射极限的光束输出。为此，引入受激布里渊相位 (SBS)共轭镜，实现高功率放大的光束波前畸变动态矫正。利用SBS进行相位共轭双程放大，可以实时修复光学元件和激光放大器的不均匀性、变形和热畸变等造成的波前畸变，获得近衍射极限的均匀优质放大光输出。L6是焦距为200mm的聚焦透镜，将光束聚焦于相位共轭镜的液体内，从而对热至波前畸变进行共轭补偿。高分子碳氟化合物是一类最适合于高能高功率SBS相位共轭镜的介质材料，它具有吸收系数低、承受高负载能力的SBS特性。

    能量提取单元的光路如图所示．为保障输出激光的高光束质量，在进入下一级放大前，光束经扩束比为1:1的成像透镜组L7，L8进行保形传输．放大器AMP5为zig-zag板条激光放大器，采用808nm半导体激光二极管双大面抽运Nd:YAG薄板条的方案。板条外形尺寸为7 mm *35 mm *138.2 mm，切角为56°，Nd3+掺杂浓度为0.6％。板条表面镀了一层SiO2保护膜，可以防止密封引起的漏光．采用水平抽运方式, 激光二极管的慢轴在水平方向，与晶体的长度方向和激光的传输方向基本一致。单面阵由8组垂直stack并排而成，每组stack由12个单bar功率200 W 的激光二极管bar沿快轴方面堆叠而成。慢轴方向上，二极管bar发出的光束经慢轴柱面镜发散，在晶体上叠加形成强度均匀的光斑。在快轴方向上，二极管bar发出的光束穿过慢轴柱面镜后进入波导中，在波导的上下面上多次反射后，最终在晶体内叠加形成均匀光斑。大尺寸板条模块激光二极管面阵发出的抽运光经整形后在垂直晶体厚度方向形成均匀抽运，荧光分布如图所示．激光束经板条端面入射到晶体内部，在两个大面间发生全内反射，沿Z形光路通过板条，获得均匀增益后实现功率放大。在重复频率200 Hz、抽运脉宽250us、抽运电流为140A时。储能为230J。柱面镜组L3，L4将φ6 mm的圆光斑扩束为长椭圆光斑进入板条放大器，经板条放大器进行双程放大后输出。

    激光器开机5分钟后，对激光器进行测量。单频种子输出的单脉冲能量为8.23uJ,空间模式为TEM00模。在重复频率为200Hz,经过预放大单元和能量提取单元后激光器输出的能量为1.85J。测量了激光器10分钟内输出能量的变化，输出能量的RMS值为1.3%。远场能量集中度是衡量激光器光束质量的重要指标之一。将光斑的远场能量集中度定义为距离光斑中心距离r范围内的能量与光斑的总能量的比值。由于激光器输出的长条形光斑远场能量不集中，通过柱面镜组将其整形为方形，远场光斑86.5%能量的光斑直径为1.72倍衍射极限。

                     输出光束近场分布                                                         输出光束远场分布

                                   10分钟内激光的输出能量