Lawrence Livermore National Laboratory,P.O.Box 5504,L-477,Livermore,California 94551
翻译　刘天华，完成于2003年5月

摘要
　　本文描述了我们在固体热容激光器（SSHCL）研究领域的最新进展。详细地研究了固体激光器热容运转的物理机制，并给出我们所研究的10KW闪光灯泵浦激光器的当前技术状态。并对二极管泵浦Nd:GGG热容激光器发展的当前工作状态也进行了描述。
简介
　　为了这次介绍，我们要先考虑激光器运转的三种方式。第一种模式是通常所说的单射运行方式，每次点火的时间间隔很长。象位于纽约Rochester激光动力学实验室的OMEGA这样的大功率/高能激光器都是依此种方式运行。这里，固体激光介质的热影响不予考虑，发射激光之后开始冷却。初级电源只提供激射所需能源，而激光束在不存在热冷却梯度的情形下传播。
第二种是通常所说的稳态运行方式，这种方式是气体离子激光器和某些像Nd:YAG及Nd:YLF等形式的固体激光器比较典型的运转方式。为了正常运行，激光介质必须在泵浦的同时进行冷却。因此，初级电源需要为激光辐射和冷却同时提供能源。而且，激光束是在热冷却梯度存在的情况下进行传播的。
　　热容运行方式[1]是介于前两种状况之间的一种方式。这种运行方式下，单射的次数快速增加，而废热被存储在激光介质里。初级电源首先为激射提供能源，随后用于冷却。因为激光器是在热冷却梯度不存在时出光，所以为激光介质所带来的应力特别小，而且光学畸变也变得很小。图1给出了一个热容激光器典型的泵浦方式，图（a）是两边相同泵浦时的固体激光介质，图（b）为图（a）泵浦方式下的应力分布。可以看出，这种泵浦方式在激光介质表面产生了压应力，这样就最大程度地降低了激光介质破裂的可能性。
10kW的热容激光器
　　为了进行热容运行方式的原理性演示验证，我们建造了一台10kW平均功率的热容激光器。该激光器采用闪光灯泵浦的Nd:Glass作为其激光增益介质。下表给出了此激光器的一些技术规格和所实际测量的参数。

　　说明：*开始时的能量为700焦/脉冲，而最后能量为580焦/脉冲；**50%环围能量的半角宽度；***第一个脉冲。
　　为了满足运行10秒以上时光束质量还能达到小于2倍衍射极限的最终目标，我们计划于这年的9月份集成一个自适应校正的非稳腔（M＝1.4），在腔内采用一个由140个驱动单元的变形镜。该激光器目前安装在位于白沙导弹靶场的高能激光系统试验场（HELSTF），在那里将用于激光/目标作用效应试验。图2为安装在HELSTF试验场的激光器的照片。
100kW热容激光器进展
　　固体热容激光器（SSHCL）项目最重要的里程碑是建造一台可以在两个脉冲之间快速冷却的100kW的SSHCL系统。这样的激光器可以用于战场应用中的战术导弹的防御。为了得到所期100kW的激光功率输出，在激光器的设计时需要进行几处改进。对快速冷却的需求迫使我们放弃玻璃作为激光介质（由于玻璃的热扩散率相对较低），而要采用晶体来代替。对热容激光器来说，迈向更高功率的途径不是通过传统的方法来增加单脉冲的能量，而是通过提高脉冲的重复率来实现。因此，100kW的激光器仍将运行在500J/脉冲，但是它的脉冲频率将从20赫兹增加到200赫兹。这种方式要求我们放弃采用闪光灯作为泵浦源，而采用激光二极管来代替。
　　这两种改进实际上可得到一台比现在通常所用的闪光灯泵浦的激光器效率高的多的激光器系统。我们已经确定选用Nd:GGG（镓钆石榴石）作为激光增益介质，因为Nd:GGG具有较高的热扩散率（比玻璃大约高出10倍）、较大的辐射截面（比玻璃大出5倍）和较强的破裂应力（比玻璃大出5倍）。另外，GGG还有一个优点就是可以从晶体基块中切割出较大的晶体板条。另一个有潜力的激光介质YAG在晶体基块中存在较强的应力/去极化区域，因此限制了从晶体基块中切割出的晶体板条的尺寸。图3（a）为二极管泵浦的Nd:GGG激光器的典型晶体板条的概念图。我们注意到，与现有的采用布鲁斯特角板条的10kW的激光器相比，这里的激光器晶体板条垂直于激光束的传播方向。这不但可以得到一个更加紧凑的系统，而且这样的系统也使得由于热致晶体变形而导致的光波前畸变急剧降低。图3（b）所示为我们最近从Armstrong激光技术公司所得到的全尺寸激光二极管。所示的二极管阵列由9行组成，每行有80个激光二极管，其波长为808nm。我们刚刚开始这一激光二极管阵列特性的测试实验。
　　作为我们降低风险措施的一部分，得到100kW固体热容激光器的过程中将建造一个三板条的子模块。图4给出了此激光系统的设计布局图。
　　为了得到大约一兆瓦的激光峰值功率，三板条激光器将由总共12个激光二极管的阵列进行泵浦。四个二极管阵列共用一个冷却器，在图的比较偏左一端给出。为了使该系统更加接近真实环境，我们将采用锂离子电池组作为初级电源。这些电池将由铜汇流线连接到电路插板上，组成脉冲工作网，位于图示中的激光头部的上方。在不久的将来，我们计划采用每边8cm长的Nd:GGG方形晶体板条，可能的话还将改进为10cm的方形晶体。
　　为了实现100kW里程碑式的目标，我们将要采用9个Nd:GGG方形板条，每一块大约12cm长（而且二极管阵列也要相应增大）。这种情况下，为了得到33%的光-光转换效率和大约10%的最终"墙插座"初级电源转换效率，我们将生成大约3.5万瓦的光学泵浦峰值功率。
结论
　　固体激光器的热容运转方式是发展大功率、紧凑型、更重要的是可以升级为定向能武器应用的固体激光器系统的一种新方法。我们已经建造了一台10kW平均功率的固体热容激光器，并进行了热容方式的原理性演示验证。FY02财年，我们将继续这种努力，采用晶体激光介质和激光二极管泵浦源，最终完成三板条二极管浦Nd:GGG热容激光器试验台的建造。之后，我们将集中精力着手100kW平均功率的SSHCL的建造。
参考文献
　　1 G.Albrecht,S.Sutton,V.George,W.Sooy,W.Krupke:"Sollid state heat capacity disk laser",Laser and Particle Beams,Vol.16,No.4(1998)
图表标注：
　图1　(a)SSHCL的泵浦几何结构，(b)此种泵浦下应力随时间的分布
　图2　安装在HELSTF的10kW的SSHCL照片
　图3　(a)二极管泵浦的Nd:GGG SSHCL的泵浦结构，每一板条由四个二极管阵列进行泵浦　(b)典型的激光二极管阵列，每个阵列能够产生大约75kW的峰值光学功率，阵列的顶端放了一个6英寸的尺子
　图4　三板条二极管泵浦Nd:GGG实验台布局。LLNL实验室商业伙伴及其贡献也进行了标注。