高功率激光系统（1）

除了基本配置的散热优势外，还需要辅助散热方法，如脉冲二极管激光（PDL）泵浦、零声子线（ZPL）泵浦、温冷却、或气体冷却。此外，必须通过消除边缘振荡条件来减少大孔径晶体的放大自发辐射（ASE）。图1h描述了用于抑制边缘振荡的常用边缘处理方法。然而，即使使用最先进的热管理，也很难完全消除高强度放大过程中的波前失真。通过使用相位共轭镜或自适应光学系统，可以补偿放大器热效应引起的激光波前失真，以提高激光束质量。校正前后的束斑能量分布如图1g所示。

2、峰值功率高的固体激光器

2.1从子千兆瓦到10千兆瓦

棒型和之字形平板放大器是实现10J级纳秒脉冲能量的首选解决方案，峰值功率为100mW至1GW。棒型放大器易于泵浦，能够实现高能量存储。激光束不穿过冷却剂以避免冷却剂对波前的影响。目前，它主要用于闪光灯泵浦的高能脉冲激光器和高能ns/ps激光器的预放大级。还有一些例子，其中高能脉冲激光器直接由二极管激光泵浦的棒状激光器实现。

与棒状和锯齿状平板结构相比，平板放大器的有源镜结构通过平衡增益介质的厚度和散热，可以获得峰值功率超过1 GW的输出脉冲。平板增益介质的大表面用作反射器。激光束在V形光路中折叠以从增益介质中提取能量存储，反射面也用作增益介质的泵浦和冷却窗口。该配置的优点如下：1）光束单次通过增益模块，实现双通提取，结构紧凑，提取效率高；2）冷却通道与激光光路分离，以避免流体对波面的影响；3）泵浦光和V型激光模式可以实现高匹配效率；4）热梯度大致沿光轴。这种配置的缺点是只有一个大表面散热。有必要集中精力消除反射镜变形的激活对强热条件下的输出的影响。LUCIA激光系统的预放大级和主放大级均采用PDL有源镜配置。

再生薄盘激光放大器示意图。

实现峰值功率为GW的脉冲的另一种方法是无CPA多程薄盘放大器，由于出色的散热性能，该放大器可直接产生平均功率为kW的超快脉冲。在没有CPA或相干光束组合（CBC）的情况下，薄盘多程放大器可以直接将亚MHz的超快种子脉冲从十分之一µJ放大到mJ，并产生峰值功率高达GW的激光脉冲。

使用准直种子束薄盘多程放大器、平面光学器件（平面镜）和具有宽曲率半径的薄盘非常适合缩放飞秒（fs）或ps操作的平均功率和峰值功率。活性介质的直径约为亚毫米，典型厚度为100–300µm。由于大光斑直径具有微弱的非线性效应和小的热透镜效应，相位前畸变较小。为了克服一次跳闸的小增益，种子脉冲必须具有良好的传输特性，以确保有效提取能量的多次通过，并与泵点匹配。基于准直传播原理，提取跳闸次数可以达到100倍。

基于光纤、平板和薄盘结构的最先进超快放大器系统和TD振荡器的脉冲能量与重复率。

2.2从10GW到100GW

如上所述，使用有源镜板放大器实现了大于10 J的脉冲能量和1 GW的峰值功率。在这种分布式结构中，Ogino等人使用脉冲能量为10 J的导电冷却有源镜放大器证明了310 W的创纪录功率。主放大器由四个大孔径Yb:YAG陶瓷（直径为60 mm，厚度为7 mm）、在78 K下冷却的液氮和PDL泵送组成。他们的目标是通过组合10多个大孔径激光头，将能量扩展到100 J，峰值功率为10 GW。然而，仍然没有关于主动镜像的峰值功率超过10 GW的公开报告。

（a）单通和（b）双通配置中薄盘多程放大器的主要设置。它由种子激光器、安装有薄盘激光器活性介质的泵浦模块、反射镜阵列、面向阵列的多个反射镜（M1）和回复反射镜对（RMP）组成。

另一个优秀的散热结构是多实验室几何结构，它将激光增益体积分成多个切片，并利用高速流过表面的冷却剂提取热量，以强制对流将热量从表面传递到冷却剂，这在Mercury系统中首次得到证明。氦气通常用作冷却剂，因为它具有化学惰性，热光系数最低，这意味着它对光束质量的影响较小。介质增益孔径可以大于100 mm，厚度可以小于10 mm。使用多实验室放大器，在LD泵浦的纳秒固态激光器中，实现了世界上第一个1kW级平均功率，最高脉冲能量为250 J。除了更大的晶体孔径外，multislab还具有以下优点。1）它可以接近最佳激光/泵浦光模式匹配效率。2）具有最高发热密度的泵表面被直接冷却，显示出有效的散热能力。3）沿光轴的热梯度很小；这有助于实现高光束质量。美国LLNL公司制造的汞激光系统获得了单脉冲能量为61J、重复频率为10Hz、脉冲宽度为15ns的脉冲输出。其主放大器级的多实验室配置包括两个增益模块（放大器头）。每个增益模块包含七块平行的Yb:S-FAP板，由高速氦气在室温下冷却。高重复率先进千兆瓦激光系统（HAPLS）的泵浦激光子系统由LLNL开发。

由于直接放大的多程盘的脉冲能量处于mJ水平，因此远未达到薄盘晶体的饱和注量。因此，采用低重复频率和高能量再生放大技术是可行的。与多程放大器相比，重放大的通过次数可以达到数百次，可以实现高达108倍的放大率。然而，高峰值功率很容易损坏腔内设备。CPA解决了在没有任何非线性过程破坏放大器的情况下获得用于应用的超强脉冲的问题。

对于a）500W和b）820W的绿色输出功率，光束轮廓在光束腰位置后面约16mm。可以观察到光束质量的恶化。

然而，当脉冲重复周期在增益弛豫时间量级时，再生放大器可能出现倍周期分岔，这引起了研究人员的广泛兴趣。Grishin和Michailovas系统总结了连续泵浦固态再生放大器的动态特性和影响因素。有人提出，增加种子脉冲能量可以改善放大动态，增加前置放大器是一种有效的抑制方案。

Klingebiel等人展示了一种带有CPA的薄盘再生放大器，在940nm的PLD泵浦下，在1kHz下获得了220mJ的脉冲能量。使用969 nm ZPL泵浦，平均输出功率在10 kHz时缩放至540 W，最大脉冲能量为50 mJ，脉冲持续时间