高能激光器 High-energy lasers

2022-11-18 09:58:23 浏览:215

定义

具有高输出脉冲能量的脉冲激光器。

高能激光器是脉冲激光器,其发射具有相对高脉冲能量的光脉冲。 对于脉冲能量必须有多高没有通用的定义,但通常与普通的Q开关激光器(主要是固态激光器)进行比较,并认为例如100 mJ或更高的脉冲能量很高。 然而,一些设备(通常不是简单的激光器,而是放大的光源)发射出许多焦耳、几千焦耳甚至兆焦耳的更高能量。

结合纳秒脉冲持续时间,高脉冲能量意味着相当高的光学峰值功率;例如,即使只有 1 焦耳在 1 ns 内传输,也意味着峰值功率为 1 J / 10 ns = 100 MW。 然而,一些高能激光器发射相对较长的脉冲,峰值功率相应较低(见下文)。

高能激光器的脉冲重复率通常相对较低,因为这样就可以达到最高的脉冲能量,并且许多应用不需要或不能利用高脉冲重复率。

高能激光器的类型

调Q激光器

在大多数情况下,是指基于激光晶体或某些激光眼镜的Q开关固态激光器,脉冲持续时间在纳秒范围内(→纳秒激光器)。

光泵浦原则上可以用激光二极管(→二极管泵浦激光器)来完成,但这通常不适用于非常高的脉冲能量,因为所需的泵浦能量需要在大致受激光增益介质的上态寿命限制的时间内提供;这通常是在几百微秒到几毫秒之间。 例如,1 J 的脉冲能量可能需要大约 2 J 的泵送能量,如果应在 ≈100 μs 内提供,则转换为所需的泵浦功率为 2 J / 100 μs = 20 kW。 虽然激光二极管可用于准连续波操作,以增加功率(超出二极管在连续波中可以提供的功率)进行脉冲泵浦,但这种增加通常非常有限。 更高的泵浦功率转化为半导体激光管的高成本,并且很难将许多半导体激光管的辐射结合到激光增益介质中。 由于这些原因,人们经常使用带有闪光灯(脉冲气体放电灯)的灯泵浦激光器,它可以以相当适中的成本提供高脉冲能量,尽管这种方法导致激光器的功率转换效率相当低,主要是由于非定向和宽带灯发射。

自由运行的激光器

Q开关是最常用的脉冲生成技术,它通常会导致纳秒级脉冲持续时间。 然而,一些高能激光器在自由运行模式下工作,即激光谐振器中没有Q开关。 这导致脉冲持续时间大大延长,持续时间为泵脉冲持续时间量级;后者可以例如通过所使用的闪光灯与驱动电子设备相结合来确定。 激光输出峰值功率相应较低。

扩增源

为了进一步增加脉冲能量,人们通常使用光放大器 - 通常基于一个或多个激光晶体或激光眼镜,它们接收更高的泵浦能量。 这种方法导致了一种称为主振荡器功率放大器(MOPA)的器件,然而,它通常(有点不精确地)被称为激光器。

还有具有皮秒或飞秒脉冲持续时间和相对高输出脉冲能量的超快激光源。 这些基本上总是放大的源,因为它们最初通过激光的模式锁定产生低能量脉冲。 然后需要一个脉冲拾取器和一个增益非常高的几十分贝的放大器系统。 通常,人们使用再生放大器,也可能使用多通类型的升压放大器。

光束组合

为了获得最高的脉冲能量,有时应用光束组合技术:

  • 光谱束组合可与多个光学波长略有不同的激光源配合使用。 例如,可以使用衍射光栅(或其他类型的衍射光学器件)。 不幸的是,许多高能激光器不能轻易实现不同的输出波长,因为它们的增益介质具有相当小的发射带宽。 一个值得注意的例外是光纤激光器,然而,它的输出峰值功率比固态体激光器受到更多的限制。
  • 相干光束组合需要多个激光器的光场相互相干。 这也不容易从高能激光器获得;它通常需要衍射极限光束,即具有最佳光束质量。

化学激光器

一种奇特的高能激光器是化学激光器,其中所需的泵送能量由化学反应提供。 这种装置可以产生能量极高的脉冲,有时是几兆焦耳。 它们已被开发用于某些军事应用,但尚未变得非常普遍。

自由电子激光器

自由电子激光器可以达到相当高的脉冲能量,这在很宽的光谱区域。 然而,它们往往相当大和沉重,因此基本上只能用作固定设备,或者可能在船上使用。

非线性频率转换

在这种情况下,光脉冲需要高能激光器无法直接到达的波长范围。 因此,有时需要采用非线性频率转换的方法。 例如,紫外线是通过倍频和可能的总和频率生成获得的。 使用光学参量振荡器可以实现长波长。

更多技术细节

脉冲泵送

如上所述,高能激光器通常需要相对较高的泵浦功率。 然而,人们通常使用脉冲泵浦而不是连续泵浦,因为这允许更高的泵浦功率,并且脉冲重复率通常远低于激光增益介质的逆上状态寿命。 在这种状态下,连续泵浦是没有意义的,部分原因是大部分泵浦功率会通过辐射荧光损失。

由于脉冲重复率通常较低,因此平均泵功率可能没有那么高。 因此,灯泵产生的低功率转换效率通常可以很好地容忍。

热效应

强烈的泵浦会导致激光增益介质大量加热,这不仅可能导致破坏(例如热诱导晶体断裂),而且还可能对激光操作产生不利影响,例如通过热透镜影响光束质量,从而影响生成的激光的有用性。 虽然对于低脉冲重复率,平均泵浦功率可能不是那么高,但每个泵浦脉冲内可能会有大量的热量,因此很难避免实质性的热效应。 另请注意,泵送时间通常太短,无法通过热传导有效地从增益介质中带走大量热量;因此,在此期间,产生的废热将主要存储在增益介质中,从而导致相应的温度升高。 为了限制这种增加,需要足够大的利用增益介质质量。 然而,可能的能量密度无论如何都可能受到增益介质可能的掺杂浓度的限制。

由于强烈的热效应,通常不可能实现单一横向模式操作,而这是最佳光束质量所必需的。 相反,激光谐振器被有意设计用于相对较小的模式区域(远低于增益介质中的光束区域),因此将产生强多模激光操作(具有许多高阶传输模式)。 这样,可以获得更宽的激光谐振器的稳定区域,并且对准灵敏度也大大降低。 然而,较差的光束质量将使获得的激光辐射相对难以聚焦- 并且许多应用都需要聚焦。

如果采用非线性频率转换,则非线性晶体材料中也可能存在不希望的热效应,特别是通过干扰相位匹配。

光学损伤

非常高的脉冲能量会导致激光引起的光学元件损坏,特别是激光谐振腔内的光学元件,特别是在脉冲持续时间相对较短且峰值功率相应较高的情况下。 因此,激光谐振器的设计必须使任何光学元件上的光束半径都不会太小。 不幸的是,多模激光器中的大光束半径仍可能导致光束轮廓中具有相当高光学强度的“热点”;因此,获得的峰值强度可以大大高于峰值功率除以光束面积。

通常需要具有较高激光损伤阈值的光学元件。 例如,这适用于激光反射镜,也适用于激光晶体上的介电涂层、Q 开关以及其中使用的任何其他组件。

脉冲持续时间

通常需要尽可能短的脉冲持续时间,主要是因为它们会导致更高的峰值功率。 然而,由于各种原因,对于高能激光器来说,实现这一目标更具挑战性:

  • 高腔内峰值功率会增加光学损伤的风险。
  • 对于调Q激光器,激光谐振器的往返时间应保持较短,以实现短脉冲。 然而,灯泵浦激光器(或用大量激光二极管泵浦的激光器)需要相当长的增益介质,因此需要较长的激光谐振器。
  • 短脉冲需要相对较快的Q开关操作。 如果这是一个声光调制器,则只能对设备中的激光辐射进行相对紧密的聚焦,因为所使用的声波在材料中具有有限的速度。 然而,这会导致激光引起的损伤问题。 在电光调制器(Pockels电池)的情况下,一个问题是大电容,这通常是由大晶体尺寸引起的。

在没有任何Q开关的情况下,可以实现最高的脉冲能量,但脉冲持续时间要长得多。

高能激光器的典型应用

下面简要介绍一些典型应用。

激光武器

激光武器需要在单个脉冲中向某种目标(例如飞行火箭,战斗机或地面上的坦克)传递大量能量。

由于激光在大气中的传播距离通常相当长,因此不可能紧密聚焦到目标;因此,足够高的强度(造成实质性损害)只有在相应的非常高的脉冲能量(例如许多千焦耳甚至几兆焦耳)时才有可能。 尽管如此,合理的高光束质量仍然很重要。

所需的激光设备和光束传输光学器件(一种望远镜)通常都相当大且昂贵。 然而,基本上所有这些系统都需要以某种方式运输,有时甚至在飞机上。

核聚变

驱动核聚变需要极高的光学强度,在短时间内产生极高的温度和压力的组合(惯性约束聚变)。 已经建造了巨大的固定装置来测试该原理。 最值得注意的是,位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)自1997年以来一直建造,经过多年的开发,它成功地通过应用几兆焦耳激光脉冲来产生兆焦耳聚变产率。 它基于巨大的放大器链,来自大量此类来源的激光束集中在包含核燃料的单个小目标上。 主要目的是研究核武器,尽管未来基于激光点火的核聚变反应堆的可想象可能性是另一个动机。

激光材料加工

一些激光材料加工方法需要相对较高的脉冲能量,例如数焦耳。 脉冲持续时间通常在纳秒范围内,有时甚至更长。 施加不同的波长,例如大约 1 μm(近红外)、0.5 μm(绿色)或紫外线。

由于不同的原因,可能需要高脉冲能量。 例如,如果目标移动得太快而无法被击中几次,则可能需要用单次激光射击烧蚀大量材料。 为了达到足够高的处理速度,通常需要高脉冲能量和高重复率(即高平均功率)的组合。

遥感

只要有足够高的脉冲能量,就可以在相对较远的距离上应用各种遥感方法。 例如基于激光诱导击穿光谱(LIBS)和各种激光雷达方法的化学分析。

医疗应用

某些医学治疗,例如在决定论中,需要具有相对高能量的激光脉冲。 通过这种方式,辐射可以应用于相对较大的区域,例如皮肤上,并实现合理的处理速度。

科研

物理的各个领域都需要相当高能量的激光脉冲。 不同应用对脉冲能量的要求不仅对脉冲能量,而且对脉冲持续时间、波长和其他参数的要求差异很大。 一些例子:

  • 通过高谐波产生硬紫外光或X射线需要具有极高功率和高光束质量的飞秒脉冲。
  • 高场物理中的其他应用也有类似的要求,峰值功率达到数太瓦甚至拍瓦。
  • 如果有足够的脉冲能量可用,则可以在相对较远的距离上进行基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的化学分析。

激光物理

作          者: 泮桥成像光电商城

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