RU2589274C2

RU2589274C2 - Архитектура многопроходного усилителя для лазерных систем большой мощности

Info

Publication number: RU2589274C2
Application number: RU2012145532/28A
Authority: RU
Inventors: Кеннет Рене МЭЙНС; Мэри Луиза СПЕЙТ; Элвин К. ЭРЛАНДСОН
Original assignee: ЛОРЕНС ЛИВЕРМОР НЭШНЛ СЕКЬЮРИТИ, ЭлЭлСи
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2016-07-10
Also published as: CN102870293A; KR20130069595A; EP2553778A4; US20110273766A1; RU2012145532A; WO2011120009A1; JP2013524490A; JP5933521B2; KR20180079352A; EP2553778B1; KR101862418B1; EP2553778A1; US8687270B2

Abstract

Система для усиления светового потока включает в себя первый отражатель, первую апертуру, первый поляризатор, выполненный с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся первым состоянием поляризации, набор зеркал и второй поляризатор. Также система включает в себя первый и второй наборы модулей-усилителей. Каждый модуль-усилитель из первого и второго наборов модулей-усилителей включает в себя входное окно, четвертьволновую пластину, пластинки-усилители и выходное окно. Технический результат состоит в повышении эффективности подавления паразитных мод посредством использования многопроходной конфигурации усиления. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Для настоящей заявки испрашивается приоритет на основании предварительной заявки на патент США № 61/318136, поданной 26 марта 2010 г., которая имеет название "Multi-Pass Amplifier Architecture for High Power Laser Systems", содержание которой фактически в полном объеме включено в данный документ посредством ссылки.

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ, СДЕЛАННЫЕ ПРИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РАБОТАХ, ФИНАНСИРУЕМЫХ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ПРАВИТЕЛЬСТВОМ США

Правительство Соединенных Штатов обладает правом на данное изобретении в соответствии с контрактом № DE-AC52-07NA27344 между Министерством энергетики Соединенных Штатов и компанией с ограниченной ответственностью "Лоуренс Ливермор Нэшнл Секьюрити" (Lawrence Livermore National Security, LLC) на работы, выполняемые Ливерморской национальной лабораторией.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В прогнозах Управления по информации в области энергетики (США) и в современных сценариях Межправительственного комитета по вопросам изменения климата (IPCC) ожидается удвоение глобальной потребности в электроэнергии относительно ее текущего уровня, составляющего, приблизительно 2 тераватта электроэнергии (ТВтэ), до 4 ТВтэ к 2030 году, и к 2100 году она может достигнуть 8-10 ТВтэ. Также ожидают, что в течение следующих 30 - 50 лет большая часть потребности в выработке электроэнергии будет обеспечиваться ископаемым топливом, как правило, каменным углем и природным газом. В настоящее время уголь обеспечивает 41% электроэнергии в мире, и ожидается, что к 2030 году он будет обеспечивать 45%. Кроме того, в последнем докладе IPCC была высказана вероятность того, что антропогенные источники выбросов CO₂ в атмосферу оказывают существенное влияние на климат планеты Земля (на 90%). Базовые сценарии "обычного развития деловой активности" показывают, что к 2050 году выбросы CO₂ могут увеличиться почти в два с половиной раза по сравнению с текущим уровнем. Более чем когда-либо ранее, необходимы новые технологии и альтернативные источники энергии для удовлетворения растущих потребностей в энергии как в промышленно развитых странах, так и в развивающихся странах, в попытке стабилизации и уменьшения концентрации CO₂ в атмосфере и смягчения сопутствующего изменения климата.

С 1950-х гг. выработка ядерной энергии, являющейся источником энергии без выбросов углерода, была ключевой составной частью выработки энергии в мире, и в настоящее время на нее приходится приблизительно 16% выработки электроэнергии в мире, причем эта доля в принципе может быть увеличена. Однако несколько факторов затрудняют ее устойчивое развитие в длительной перспективе. Этими проблемами, вызывающими озабоченность, являются, в том числе риск распространения ядерных материалов и технологий, являющихся результатом ядерного топливного цикла; генерация долгоживущих радиоактивных ядерных отходов, требующих захоронения в глубоких геологических хранилищах; существующее в настоящее время доверие к однократному ядерному топливному циклу; и доступность дешевого урана с низким углеродным следом. В одних только Соединенных Штатах ядерными реакторами уже было сгенерировано более 55000 метрических тонн (MT) отработанного ядерного топлива (SNF). В ближайшем будущем будет иметься такое количество отработанного ядерного топлива, которое является достаточным для заполнения геологического хранилища ядерных отходов "Юкка Маунтин" (Yucca Mountain) до его установленного законодательством предела, составляющего 70000 MT.

Термоядерная энергия является привлекательным возможным вариантом для выработки энергии в будущем, причем существует два основных подхода к разрабатываемым в настоящее время термоядерным энергетическим установкам. В первом подходе, именуемом ядерным синтезом с инерционным удержанием плазмы (Inertial Confinement Fusion, ICF), используют лазеры, пучки тяжелых ионов или импульсы энергии для быстрого сжатия капсул, содержащих смесь дейтерия (D) и трития (T). При уменьшении радиуса капсул и увеличении плотности и температуры газа, представляющего собой смесь дейтерия с тритием (DT), в небольшой точке в центре сжатой капсулы начинаются реакции синтеза DT. Эти реакции синтеза DT создают как альфа-частицы, так и нейтроны с энергией 14,1 мегаэлектронвольт (МэВ). Передний фронт термоядерного горения распространяется из этой точки, генерируя существенное приращение энергии. Во втором подходе, именуемом энергией термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы (MFE), используют мощные магнитные поля для удержания DT-плазмы и для создания условий, требуемых для поддержания горящей плазмы и для создания приращения энергии.

Важная технология для ICF разрабатывается в настоящее время, главным образом, в Национальном комплексе лазерных термоядерных испытаний (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в г. Ливермор, штат Калифорния (США), которая является патентообладателем данного изобретения. В нем, в лазерном проекте ICF, разработанном для достижения воспламенения и горения термоядерной реакции, используют энергии лазерного излучения от 1 мегаджоуля (МДж) до 1,3 МДж. Ожидаемый выход термоядерной реакции составляет порядка 10-20 МДж. Если для рентабельной выработки энергии должна использоваться технология термоядерного синтеза сама по себе, то ожидается, что при геометрии термоядерного синтеза с горячей точкой в центре необходим выход термоядерной реакции свыше 200 МДж. Таким образом, остаются существенные технические сложности для достижения экономичности с использованием только лишь энергии ICF.

В дополнение к областям применения для ICF, существует широкий интерес в области техники лазеров с высокой средней мощностью для обработки материалов, сверления, резки и сварки, для применений в военных целях и т.п. Многие из продемонстрированных лазеров с высокой средней мощностью работали в непрерывном (cw) режиме, но также существует интерес к импульсно-периодическим лазерам, которые также способны создавать высокую среднюю мощность.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится, в общем, к лазерным системам. В частности, настоящее изобретение относится к способам и к системам для генерации лазерных пучков большой мощности с использованием трехмерной геометрической конфигурации усилителя. Просто в качестве примера, настоящее изобретение было применено к узлу усилителя, в котором используют состояние поляризации усиливаемого пучка для направления пучка через множество каскадов усилителя по заданному оптическому пути. В конкретном варианте осуществления изобретения описанная здесь трехмерная геометрическая конфигурация усилителя обеспечивает возможность подавления паразитных мод с использованием электрооптического переключателя, работающего на уровнях мощности, меньших, чем уровень мощности усиленного пучка в конце. Эти способы и системы могут быть применены к множеству других вариантов архитектуры лазерного усилителя и лазерных систем. Технический результат, достигаемый заявленной группой изобретений достигается состоит в повышении эффективности подавления паразитных мод посредством использования многопроходной конфигурации усиления.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, предложена система основного усилителя. Система основного усилителя включает в себя первый отражатель, выполненный с возможностью принимать входное световое излучение через первую апертуру и направлять входное световое излучение вдоль оптического пути. Входное световое излучение характеризуется первой поляризацией. Система основного усилителя также включает в себя первый поляризатор, расположенный вдоль оптического пути. Первый поляризатор выполненный с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся первым состоянием поляризации. Кроме того, система основного усилителя включает в себя первый набор модулей-усилителей, расположенных вдоль оптического пути, и второй набор модулей-усилителей, расположенных вдоль оптического пути. Каждый модуль-усилитель из первого набора модулей-усилителей включает в себя входное окно, четвертьволновую пластину, множество пластинок-усилителей, расположенных упорядоченно, по существу, параллельно друг другу, и выходное окно. Каждый модуль-усилитель из второго набора модулей-усилителей включает в себя входное окно, четвертьволновую пластину, множество пластинок-усилителей, расположенных упорядоченно, по существу, параллельно друг другу, и выходное окно. Система основного усилителя дополнительно включает в себя набор зеркал, выполненных с возможностью отражать световое излучение, выходящее из первого набора модулей-усилителей, для его ввода во второй набор модулей-усилителей, и второй поляризатор, расположенный вдоль оптического пути. Второй поляризатор выполнен с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся вторым состоянием поляризации. Система основного усилителя также включает в себя второй отражатель, расположенный вдоль оптического пути и выполненный с возможностью направлять световое излучение через вторую апертуру.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, предложен способ усиления входного импульса. Способ включает в себя этапы, на которых: через первую апертуру принимают входной импульс, имеющий первое состояние поляризации вдоль траектории пучка в системе усилителя, отражают входной импульс от входного зеркала, и отражают входной импульс от первого поляризатора вследствие того, что входной импульс имеет первое состояние поляризации. Способ также включает в себя этапы, на которых: осуществляют преобразование первого состояния поляризации в первое промежуточное состояние поляризации, усиливают входной импульс для создания усиленного импульса, имеющего первое промежуточное состояние поляризации, и осуществляют преобразование усиленного импульса, имеющего первое промежуточное состояние поляризации, в усиленный импульс, имеющий второе состояние поляризации. Способ дополнительно включает в себя этапы, на которых: пропускают усиленный импульс через первый поляризатор вследствие того, что усиленный импульс имеет второе состояние поляризации, и пропускают усиленный импульс через второй поляризатор вследствие того, что усиленный импульс имеет второе состояние поляризации. Способ включает в себя этапы, на которых: осуществляют преобразование второго состояния поляризации во второе промежуточное состояние поляризации, усиливают усиленный импульс для создания выходного импульса, имеющего второе промежуточное состояние поляризации, и осуществляют преобразование второго промежуточного состояния поляризации в первое состояние поляризации. Кроме того, способ включает в себя этапы, на которых: отражают выходной импульс от второго поляризатора вследствие того, что выходной импульс имеет первое состояние поляризации, отражают усиленный импульс от выходного зеркала и направляют выходной импульс, имеющий первое состояние поляризации вдоль траектории пучка в системе усилителя, через вторую апертуру.

Варианты осуществления настоящего изобретения объединяют коэффициенты полезного действия четырехпроходного съема энергии с лазера со счетверенной архитектурой для создания новой архитектуры лазерной системы, способной обеспечивать импульсно-периодический режим. Описанные здесь конструкции уменьшают или устраняют необходимость наличия оптического переключателя, работающего при высокой средней мощности, поскольку отдельные пучки в лазерных системах высокой энергии сведены к множеству импульсов в секунду мощностью много килоджоулей, при этом сохраняется эффективность съема энергии с лазера и улучшена компактность лазерной системы.

Посредством настоящего изобретения достигнуты многочисленные преимущества по сравнению с традиционными способами. Например, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложены лазерные системы, пригодные для применений для лазерно-индуцированного термоядерного реактора с инерциальным удержанием плазмы (LIFE), включая термоядерные реакторы только типа LIFE, для других пользователей импульсных лазеров средней мощности и накачки различных лазерных сред для генерации ультракоротких лазерных импульсов. Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложены варианты архитектуры для лазерных систем, работающих на запасенной энергии, в режиме работы с высокой средней мощностью с рабочими характеристиками, не доступными при использовании обычных конструкций. Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают возможность четырехпроходного усиления пучков в счетверенной схеме без необходимости наличия оптического переключателя с большой апертурой. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают возможность использования охлаждения газом, подаваемым под давлением, с использованием пространства между пластинами усилителя (например, пластинками), окнами и/или четвертьволновыми пластинами. В конкретном варианте осуществления изобретения скорости охлаждающего потока являются соответственно низкими, чтобы можно было использовать множество антиотражающих покрытий на окнах, пластинах и четвертьволновых пластинах, в том числе, золь-гелевые покрытия, упрочненные золь-гелевые покрытия или золь-гелевые покрытия, упрочненные аммиаком.

Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложены системы усилителей, в которых весь лазерный усилитель может быть коротким по длине за счет обеспечения возможности упаковки пластинок-усилителей близко друг к другу. В вариантах осуществления изобретения, в которых используют конфигурации с плотно упакованными пластинками-усилителями, накачка лазерных пластинок может осуществляться с использованием торцов пластинок. Преимущество, обеспечиваемое конфигурацией с торцевой накачкой, заключается в том, что выходной профиль лазерных пучков может быть оптимизирован с использованием градиентного легирования пластинок лазерного усилителя. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения отличаются тем, что нелинейный показатель пластинок лазерного усилителя уменьшен с коэффициентом 2/3 за счет использования круговой поляризации по сравнению с нелинейным показателем, созданным с использованием линейной поляризации. В дополнение к этому, за счет сосредоточения концентрации оптических элементов в пределах короткого расстояния по сравнению с общей длиной усиливающих сред, спектры BT-усиления (усиления Беспалова-Таланова) могут быть смещены в сторону больших углов, что обеспечивает возможность более легкого устранения паразитных мод. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения, обеспечивающие возможность передачи сформированных изображений без необходимости в наличии дополнительного телескопа в резонаторе и отражателей с избирательностью по углу (например, складчатых), могут использоваться для устранения паразитных мод излучения лазера под большими углами. Описанная здесь архитектура лазера пригодна для использования пластин-корректоров, адаптивной оптики и пространственных формирователей луча для уменьшения двулучепреломления, фазовых искажений и амплитудных погрешностей в зависимости от конкретного применения. К тому же, компактность вариантов осуществления настоящего изобретения может обеспечивать возможность сборки лазерных модулей такого размера, который соизмерим с энергетической установкой типа LIFE (на основе лазерно-индуцированного термоядерного реактора с инерциальным удержанием плазмы (IFE)). Более подробное описание этих и других варианты осуществления настоящего изобретения, наряду с многими его преимуществами и признаками, приведено в изложенном ниже тексте и на приложенных чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - упрощенная принципиальная схема траектории пучка, применяемой в Национальном комплексе лазерных термоядерных испытаний (NIF);

Фиг. 2 - упрощенный развернутый вид траектории пучка, применяемой в Национальном комплексе лазерных термоядерных испытаний (NIF);

Фиг. 3 - упрощенный развернутый вид многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4A - трехмерное изображение многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4B - трехмерная схема в перспективе, на которой проиллюстрированы пути хода лучей через многопроходный усилитель согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4C - трехмерное изображение многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе с первого направления;

Фиг. 4D - трехмерное изображение многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе со второго направления;

Фиг. 5 - упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована верхняя половина многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 - упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована верхняя половина многопроходного усилителя, включающего в себя поляризационный переключатель, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 7 - вид сбоку многопроходного усилителя, включающего в себя систему введения светового излучения накачки, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 8 - вид в перспективе способа накачки пластинок-усилителей через зазор согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 9 - упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована архитектура двухпроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 10 - упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрировано интегрирование набора вариантов архитектуры двухпроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 11 - упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована одноапертурная четырехпроходная конструкция с ячейкой Поккельса с плазменным электродом (PEPC), работающей при малой мощности; и

Фиг. 12 - развернутый вид варианта системы, проиллюстрированной на Фиг. 11.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к лазерным системам. В частности, настоящее изобретение относится к способам и к системам усиления лазерных пучков большой мощности с использованием трехмерной геометрической конфигурации усилителя. Просто в качестве примера, настоящее изобретение было применено для сборочного узла усилителя, в котором используют состояние поляризации усиливаемого пучка для направления пучка через множество каскадов усилителя по заданному оптическому пути. В конкретном варианте осуществления изобретения описанная здесь трехмерная геометрическая конфигурация усилителя обеспечивает возможность подавления паразитных мод с использованием электрооптического переключателя, работающего на уровнях мощности меньших, чем уровень мощности усиленного пучка в конце. Эти способы и системы могут быть применены ко множеству других вариантов архитектуры лазерного усилителя и лазерных систем.

На Фиг. 1 показана упрощенная принципиальная схема траектории пучка, применяемой в Национальном комплексе лазерных термоядерных испытаний (NIF). Как проиллюстрировано на Фиг. 1, свет из задающих генераторов и предварительных усилителей, связанных с ними волоконно-оптической линией, вводят на траекторию пучка в передающий пространственный фильтр (TSF). Сначала свет проходит через усилитель мощности и отражается от LM3. Затем свет отражается от поляризатора, и начинается первый из четырех проходов через основной усилитель. Сначала переключатель поляризации находится в состоянии пропускания света, распространяющегося к основному усилителю. После первого прохода через основной усилитель и отражения от деформируемого зеркала (LM1), свет совершает второй проход через основной усилитель. К тому времени, когда свет возвращается к переключателю поляризации, переключатель поляризации изменяет поляризацию света так, чтобы она была соосной с поляризатором, при этом, свет проходит через поляризатор и отражается от LM2. Затем свет совершает еще два прохода через основной усилитель, имеет поляризацию, снова измененную переключателем поляризации, и отражается от поляризатора и LM3 для совершения второго прохода через усилитель мощности. Таким образом, в архитектуре NIF используется два прохода через усилитель мощности и четыре прохода через основной усилитель.

На Фиг. 2 показан упрощенный развернутый вид траектории пучка, применяемой в Национальном комплексе лазерных термоядерных испытаний (NIF). Анализ развернутого вида иллюстрирует, что при каждом из четырех проходов через основной усилитель усиленный импульс проходит через одни те же оптические элементы.

В архитектуре, проиллюстрированной на Фиг. 1, при увеличении частоты следования импульсов до частот следования в несколько герц существует вероятность необходимости активного охлаждения переключателя поляризации. В одном из вариантов реализации переключателем поляризации является ячейка Поккельса с плазменным электродом (PEPC). Следует отметить, что интенсивность света в фокусе TSF после четыре проходов через основной усилитель и двух проходов через усилитель мощности, составляет порядка 10¹⁸ Вт/см². При этих уровнях мощности и при работе на частоте несколько герц точечные диафрагмы, используемые в пространственных фильтрах, начинают плавиться или подвергаться абляции, причем этот процесс может происходить при низких значениях интенсивности, равных всего лишь 10⁸ Вт/см². Таким образом, плавление, затвердевание, абляция, эрозия, создание пара и т.п. представляют собой проблемы, возникающие во время работы архитектуры, проиллюстрированной на Фиг. 1, с высокой частотой следования импульсов.

Как описано в международной заявке на патент № PCT/US2008/011335, поданной 30 сентября 2008 г., содержимое которой включено сюда в полном объеме путем ссылки и права на которую принадлежат тому же самому патентообладателю, в некоторых системах LIFE используют бустерные усилители, имеющие пластинки, которые расположены на малом расстоянии друг от друга для обеспечения канала охлаждения между каждой парой пластинок. В этих конструкциях используют пластинки, а не одиночную пластину, поскольку пластинки легче охлаждать и легче заменять при необходимости. Для поддержания надлежащих значений температуры пластинки заключены между окнами, и между пластинками подают гелий, например в направлении, перпендикулярном поверхности пластинок. Использование пластинок увеличивает количество поверхностей, которые подлежат обработке, и, следовательно, увеличивает площадь поверхности усиливающих сред. Поскольку дефекты поверхности являются аддитивными при многократном прохождении света через дефекты поверхности, то авторами изобретения было установлено, что предпочтительным является предотвращение прохождения света через один и тот же участок усиливающей среды более одного раза.

На Фиг. 3 показан упрощенный развернутый вид многопроходного усилителя 300 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, свет из задающего генератора 310 и предварительного усилителя 312 вводят в усилитель мощности 314 с S-поляризацией. Введение первого пучка с S-поляризацией (также именуемой горизонтальной поляризацией), может происходить непосредственно перед плоскостью точечной диафрагмы TSF, используемой в многопроходном усилителе 300. Свет входит в первый модуль-усилитель, включающий в себя пластинки 316, и проходит через четвертьволновую пластину (QWP) 318, которая преобразовывает свет с S-поляризацией в свет с круговой поляризацией. Свет с круговой поляризацией проходит через пластинки 316, расположенные так, что свет падает по нормали, в отличие от конструкций, в которых используют пластины, расположенные под углом Брюстера. Пластинки 316 расположены между окнами 320a и 320b для обеспечения возможности охлаждения пластинок 316 с использованием гелия или иного подходящего газа-охладителя, как изложено выше. При прохождении через усилитель/усиливающие пластинки (также именуемые пластинами усилителя, усиливающими пластинами или пластинками), где происходит усиление пучка при падении по нормали, дает преимущество уменьшения нелинейного показателя с коэффициентом 2/3 относительно исходного значения, что приводит к уменьшению ΔB. Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения используют модули-усилители, которые могут именоваться "нормальным усилителем", поскольку свет падает на пластинки-усилители по нормали. Как более подробно описано ниже, нормальный усилитель (также именуемый модулем-усилителем) включает в себя множество пластинок-усилителей 316, четвертьволновую пластину 318 и необязательные окна 320a/b, все из которых номинально расположены по нормали к углу падения проходящих через них пучков. В зависимости от конкретного варианта реализации, количество пластинок в каждом модуле-усилителе может составлять от, приблизительно, 10 пластинок до, приблизительно, 100 пластинок. В конкретном варианте осуществления изобретения используются от 50 до 60 пластинок.

После прохождения через первый модуль-усилитель пучок отражается во второй модуль-усилитель с использованием, например, набора отражателей 325a и 326b, которыми могут являться диэлектрические зеркала или отражатели с избирательностью по углу. Во втором и в последующих модулях-усилителях совместно используют общие элементы с первым модулем-усилителем. Для ясности и краткости аналогичные элементы могут быть рассмотрены или могут быть не рассмотрены в приведенном ниже описании.

В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения модуль-усилитель включает в себя набор окон (который обычно может использоваться совместно с другими модулями-усилителями, как описано ниже), QWP и набор пластинок-усилителей. Модуль-усилитель может включать в себя другие элементы в зависимости от конкретного применения. Для специалиста со средним уровнем компетентности в данной области техники понятно, что существует множество изменений, модификаций и альтернативных вариантов.

Как проиллюстрировано на Фиг. 3, после совершения прохода с усилением через пластинки 330 во втором модуле-усилителе, QWP 332 преобразовывает поляризацию света в P-поляризацию (также именуемую вертикальной поляризацией). Затем свет проходит через поляризатор 334, ориентированный так, что пропускает состояние с P-поляризацией, и отражается набором зеркал 336a и 336b, как рассмотрено ниже. Этим набором зеркал могут являться диэлектрические зеркала, отражателями с избирательностью по углу и т.п. Свет (в состоянии с P-поляризацией) проходит через другой поляризатор 338 и распространяется к входу третьего модуля-усилителя.

Подобно первому модулю-усилителю, включающему в себя пластинки 316, на входе в третий модуль-усилитель расположена QWP для преобразования света из состояния с P-поляризацией в свет с круговой поляризацией. Во время прохода с усилением через пластинки-усилители в третьем модуле-усилителе свет имеет круговую поляризацию, как проиллюстрировано на Фиг. 3. Для формирования оптического пути между третьим и четвертым модулями-усилителями используют другой набор зеркал 342a и 342b, которыми могут являться диэлектрические зеркала, отражатели с избирательностью по углу и т.п. QWP 350 в четвертом модуле-усилителе преобразовывает свет обратно в свет с S-поляризацией, выходя после четвертого прохода усиления с S-поляризацией. Свет с S-поляризацией отражается от поляризатора 360 и зеркала 362, где его направляют в усилитель мощности (PA) 370, который может включать в себя набор пластин (или пластинок) усилителя, ориентированных под углом Брюстера. При использовании пластинок для каждого модуля-усилителя используют только один набор окон, а не набор окон для каждой пластины. В некоторых вариантах осуществления изобретения множество модулей-усилителей может быть объединено в одном охлаждающем кожухе, за счет чего количество окон может быть сокращено. В некоторых вариантах осуществления изобретения усилителем 314 мощности и усилителем 370 мощности является один и тот же усилитель мощности, действующий так, что подает первоначально усиленное световое излучение в первый модуль-усилитель и принимает усиленное световое излучение из четвертого модуля-усилителя. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 3, узел усилителя основного усилителя (MA) включает в себя четыре модуля-усилителя, которые рассмотрены выше.

Следует отметить следующее: как более подробно описано ниже, в систему усилителя могут быть введены дополнительные пучки, например, в TSF в нижней части Фиг. 3, может быть введен четвертый пучок, распространяющийся в обратном направлении под небольшим углом относительно траектории первого пучка, проиллюстрированной на Фиг. 3.

Со ссылкой на Фиг. 3, на нем проиллюстрировано несколько необязательных элементов. Между первым и вторым модулями-усилителями, а также между третьим и четвертым модулями-усилителями могут быть помещены необязательные компенсаторы двулучепреломления для компенсации двулучепреломления, накопленного в усиленных пучках. Оба компенсатора двулучепреломления являются необязательными. В дополнение к этому, между вторым модулем-усилителем и третьим модулем-усилителем может быть вставлен переключатель, работающий на "малой мощности". Термин "малая мощность" используется в сравнении с интенсивностью пучка после прохода через четвертый модуль-усилитель. Поскольку после второго модуля-усилителя может быть использован необязательный переключатель, то мощность является значительно меньшей, чем после четвертого модуля-усилителя, что обеспечивает возможность использования переключателей, пригодных для использования при более низких значениях мощности, чем связанные с проходом с усилением через четвертый модуль-усилитель.

На Фиг. 4A проиллюстрировано трехмерное изображение системы 400 многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Архитектура, проиллюстрированная на Фиг. 4A, является родственной развернутой архитектуре, проиллюстрированной на Фиг. 3. Как описано ниже, система усилителя, проиллюстрированная на Фиг. 4A, обеспечивает "счетверенную схему" из четырех модулей-усилителей 460, 461, 462 с падением по нормали, причем один из них не показан, в которой компоненты совместно используют для усиленных пучков. Многопроходный усилитель, проиллюстрированный на Фиг. 4A, не включает в себя задающий генератор 310, предварительный усилитель 312 или усилители мощности 314/370, проиллюстрированные на Фиг. 3. Само собой разумеется, что в зависимости от конкретного варианта реализации эти дополнительные оптические системы могут быть встроены в многопроходный усилитель. Элементы, проиллюстрированные на Фиг. 4A, также могут именоваться системой 400 основного усилителя.

Свет входит в систему многопроходного усилителя 400 (например, через апертуру 1) как свет с S-поляризацией и отражается от зеркала 410. Свет с S-поляризацией затем отражается от поляризатора 420 к первому модулю-усилителю 460, который включает в себя набор окон, окружающих QWP, и множество пластинок-усилителей (см., например, Фиг. 3 для дополнительного описания, связанного с модулями-усилителями). Свет проходит через QWP и преобразовывается в круговую поляризацию. После отражения от зеркала 450a и зеркала 450b (образующих набор 450 зеркал, расположенных под углом 45°) свет проходит через второй модуль-усилитель 461. Второй модуль-усилитель 461 также включает в себя QWP, например, на конце, противоположном зеркалу 450b, которая преобразовывает свет в свет с P-поляризацией. Свет с P-поляризацией (после двух проходов с усилением) проходит через поляризатор (не показан), расположенный под поляризатором 420 и отражается от набора зеркал, расположенных под углом 45° (не показан). Затем свет проходит через поляризатор (не показан), который расположен ниже поляризатора 422, и его поляризацию ориентируют как поляризацию света с P-поляризацией. Вследствие трехмерного характера архитектуры усилителя, рассмотрение обоих чертежей - Фиг. 3 и Фиг. 4A - совместно друг с другом является полезным для понимания вариантов осуществления настоящего изобретения.

Затем свет совершает еще два прохода с усилением, сначала через третий модуль-усилитель (не показан) и четвертый модуль-усилитель 462. Третий и четвертый модули-усилители включают в себя QWP на стороне, противоположной набору 456 зеркал, расположенных под углом 45°, которая преобразовывает поляризацию света из P-поляризации в круговую поляризацию (во время усиления), а затем в S-поляризацию. Свет с S-поляризацией, выходящий из четвертого модуля-усилителя 462, отражается от поляризатора 422 к зеркалу 412, где он отражается от системы основного усилителя. Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложена система усилителя с четырьмя проходами с усилением, в которой не требуется использование переключателя. Как описано применительно к некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, переключатель может использоваться, например, после второго прохода с усилением, для улучшения рабочих характеристик системы, но это не является обязательным условием. Для специалиста со средним уровнем компетентности в данной области техники понятно, что существует множество изменений, модификаций и альтернативных вариантов.

Со ссылкой на Фиг. 4A, свет вдоль одной траектории пучка входит в первую апертуру (например, в апертуру, ведущую к зеркалу 410, которой является апертура 1) и выходит из другой апертуры (например, из апертуры, расположенной далее по ходу от зеркала 412, которой является апертура 4). Для вариантов реализации, в которых используют четыре пучка, каждый пучок входит в одну апертуру и выходит из другой. Например, пучок, входящий в апертуру 4 выходит из апертуры 1. В дополнение к этому, пучки могут быть наклонены под небольшим углом (например, 1 миллирадиан) относительно друг друга для обеспечения множества проходов, распространяясь вдоль немного различных траекторий пучка. Пучки могут быть наклонены под другими углами, например, под углами в пределах от, приблизительно, 1 миллирадиана до, приблизительно, 3 миллирадиана или менее 1 миллирадиана. Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложена архитектура усилителя, имеющего четырехпроходную геометрическую конфигурацию, в которой каждый пучок совершает только один проход через каждый модуль-усилитель. Кроме того, в варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 4, не используется какой-либо переключатель поляризации. В вариантах реализации с четырьмя пучками четыре пучка усиливают при прохождении каждого из четырех пучков через каждый из четырех модулей-усилителей (то есть, четыре пучка и четырехпроходное усиление для каждого пучка), что является подходящим для обеспечения высокой выходной мощности с входным каскадом приемлемого размера. Для специалиста в данной области техники понятно, что существует множество изменений, модификаций и альтернативных вариантов.

В одном из вариантов осуществления изобретения используются четыре пучка:

Траектория пучка 1 входит в TSF1 и выходит из TSF4

Траектория пучка 4 входит в TSF4 и выходит из TSF1

Траектория пучка 2 входит в TSF1 и выходит из TSF3

Траектория пучка 3 входит в TSF4 и выходит из TSF2

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают преимущества, недоступные при использовании обычных вариантов архитектуры, в том числе, уменьшение количества телескопов, используемых на оптическом пути. В качестве примера, сравнивая Фиг. 3 с Фиг. 2, в архитектуре, проиллюстрированной на Фиг. 3, отсутствует телескоп, который служит в качестве пространственного фильтра в резонаторе (CSF). В качестве примера уменьшения размеров, обеспечиваемого устранением CSF, в NIF для общей оптической длины резонатора, равной 44 метрам, CSF ретранслирует плоскость изображения, приблизительно, на 22 метра (что равно длине телескопа CSF), тогда как в некоторых вариантах осуществления изобретения вся система основного усилителя, проиллюстрированная на Фиг. 4, является упакованной в модуль длиной, приблизительно, 6 метров. В дополнение к этому, в вариантах осуществления настоящего изобретения уменьшены потери на виньетирование по сравнению с обычными вариантами архитектуры.

Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения уменьшены сложности, связанные с вопросами очистки пучка. Поскольку оптический переключатель не используется, и оптические элементы являются более плотно упакованными, как проиллюстрировано на Фиг. 4, очистка пучка требуется в меньшей степени. В некоторых вариантах осуществления изобретения очистка пучка может производиться с использованием только TSF и/или покрытий на зеркалах или других оптических элементах, имеющихся в системе, работающих в узком диапазоне углов. В качестве примера, а одном или на большем количестве отражающих или пропускающих оптических элементов вдоль хода луча, в том числе, на зеркалах и/или поляризаторах, могут использоваться покрытия с избирательностью по углу. Таким образом, в качестве возможных вариантов доступно разнообразное множество оптических элементов с избирательностью по углу, и фильтрация не обязательно должна происходить в фокусе, но избирательность может быть реализована на больших апертурах, либо как покрытие, либо как материал в массе, где легче рассеять теплоту. Таким образом, при использовании большой апертуры угловая избирательность может уменьшить нагрузки на любые иные пространственные фильтры, используемые в системе, если используются пространственные фильтры.

Четыре модуля-усилителя, проиллюстрированные на Фиг. 4A (на нем показаны модули-усилители 460, 461 и 462), могут быть упакованы в два или более отдельных охлаждающих кожуха или в один охлаждающий кожух в зависимости от конкретного применения.

На Фиг. 4B показана трехмерная схема в перспективе, на которой проиллюстрированы пути хода лучей через многопроходный усилитель согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В трехмерной схеме в перспективе, проиллюстрированная на Фиг. 4B, совместно используют некоторые компоненты, которые являются общими с компонентами, проиллюстрированным на Фиг. 4A. Как проиллюстрировано на Фиг. 4B, модули-усилители могут также быть связаны зеркалами, расположенными под углом 45 градусов, которые ориентированы для обеспечения двух проходов с усилением в горизонтальной плоскости (например, пучка 1 и пучка 2), а не в вертикальной плоскости, как проиллюстрировано на Фиг. 4A. Соответственно, свет, проходящий через модуль-усилитель 471, отражается к модулю-усилителю 470 отражателями 450e и 450f.

На Фиг. 4C показано трехмерное изображение многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе с первого направления. На Фиг. 4D показано трехмерное изображение многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе со второго направления. В многопроходных усилителях, проиллюстрированных на Фиг. 4C и Фиг. 4D, совместно используют компоненты, которые являются общими с системами усилителя, проиллюстрированными на Фиг. 4A и Фиг. 4B, и для ясности и краткости они не помечены.

На Фиг. 5 показана упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована верхняя половина многопроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как описано ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения два дополнительных модуля-усилителя (не показаны) завершают систему с четырьмя модулями-усилителями. На Фиг. 5 проиллюстрирована траектория одного пучка из схемы с четверкой пучков, на которой показаны два модуля-усилителя 560 и 562 (нормальные усилители). Эти нормальные усилители могут быть сравнены с первым и вторым модулями-усилителями, описанными на Фиг. 3. Свет входит в систему усилителя с S-поляризацией (570), отражается зеркала 510 и от поляризатора 520. Входное световое излучение проходит через одно из окон (окно 565), расположенное вокруг четвертьволновой пластины (QWP) 530 и набора пластинок-усилителей 540. QWP 530 преобразовывает свет с S-поляризацией в свет с круговой поляризацией, и пластинки-усилители 540 усиливают пучок. Свет падает, по существу, по нормали к QWP и к пластинкам-усилителям в первом модуле-усилителе 560. После первого прохода с усилением свет отражается зеркалом 550, расположенным под углом 45 градусов, к второму модулю-усилителю (не показан) за плоскостью чертежа. Свет совершает второй проход с усилением, и QWP во втором модуле-усилителе преобразовывает его в свет с P-поляризацией. Поскольку свет находится в состоянии с P-поляризацией, то он проходит через поляризатор 520, который продолжается плоскости чертежа в и позади нее, и отражается от зеркал 552 и 554, расположенных под углом 45 градусов. Поляризатор 520 также может представлять собой два поляризатора, которые уложены друг на друга вдоль линии по нормали к плоскости чертежей.

Свет в состоянии с P-поляризацией проходит через поляризатор 522 (продолжающийся за плоскость чертежа или поляризатор, расположенный за плоскостью чертежа), и входит в третий модуль-усилитель (не показан) за плоскостью чертежа. QWP в третьем модуле-усилителе преобразовывает свет в свет с круговой поляризацией, и после его усиления свет отражается набором 566 зеркал, расположенных под углом 45 градусов, падая на четвертый модуль-усилитель 562. После четвертого прохода с усилением QWP 514 преобразовывает света в свет с S-поляризацией, и он отражается от поляризатора 522 и зеркала 512 для выхода из системы. Несмотря на то, что входная апертура 570 обозначена как "Вход", а выходная апертура 572 обозначена как "Выход", понятно, что в системе со многими пучками (например, в системе с четырьмя пучками), второй пучок входит в апертуру 572 и выходит из апертуры 570. Таким образом, обозначения "Вход" и "Выход" применимы только к одному из множества пучков.

На Фиг. 6 показана упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована верхняя половина многопроходного усилителя, включающего в себя поляризационный переключатель, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В системе многопроходного усилителя, проиллюстрированной на Фиг. 6, совместно используются элементы, являющиеся общими с системой многопроходного усилителя, проиллюстрированной на Фиг. 5, и для ясности и краткости не обязательно дано описание этих общих элементов. Как проиллюстрировано на Фиг. 6, в оптический путь после прохождения света два модуля-усилителя вставлен переключатель 605, которым может являться полуволновый переключатель, например, PEPC. В состоянии "выключено", полуволновой переключатель действует как полуволновая пластина, блокируя, тем самым, пропускание света через систему. Когда ожидается извлекаемый импульс, то переключатель приводят в состояние "включено", в котором переключатель представляет собой нулевой волновой пластиной, разрешая, тем самым, прохождение извлекаемого импульса через поляризаторы, ориентированные соосно с поляризацией импульса. Несмотря на то, что переключатель показан в плоскости, содержащей два модуля-усилителя 360 и 362, понятно, что переключатель в верхней плоскости будет активным для траекторий пучков, начинающихся и заканчивающихся в плоскости, расположенной за плоскостью чертежа. Переключатель для траекторий пучков, входящих и выходящих в плоскости чертежа, будет размещен в плоскости позади чертежа.

Размещение переключателя 605 в месте между вторым и третьим модулями-усилителями обеспечивает возможность блокирования усиленного спонтанного излучения (ASE) и иного нежелательного светового излучения (рассеянного света от бликов), которое может уменьшать эффективность усиления, после, максимум, двух проходов через модули-усилители. Для некоторых областей применения величины плотности энергии, соответствующие двум проходам, являются меньшими или равными, приблизительно, 100 джоулям. Следовательно, плотность энергии, воздействию которой подвергается переключатель 605, является намного меньшей, чем плотность энергии, воспринимаемая переключателем поляризации, проиллюстрированным на Фиг. 1. Сравнивая Фиг. 1 и Фиг. 6, размещение переключателя поляризации на Фиг. 1 приводит к тому, что он подвергается воздействию полной плотности энергии, соответствующей четырем проходам с усилением (~10 килоджоулей), которая является на несколько порядков величины большей, чем плотность энергии после двух проходов с усилением, воздействию которой подвергается переключатель 605. Более низкая мощность, воздействию которой подвергается переключатель 605, обеспечивает возможность использования множества возможных вариантов для переключения, в том числе, ячейку Поккельса, с использованием прозрачного электрода, выполненного, например, с использованием покрытий из оксида индия/олова (см., например, публикацию W.T. Pawlewicz, I.B.Mann, W.H. Lowdermilk and D. Milam, Laser-damage -resistant transparent conductive indium tin oxide coatings, Appl. Phys. Lett. 34(3), 1 Feb. 1979), что продемонстрировано в сантиметровом масштабе (см., например, публикацию M.D. Skeldon, M.S. Jin D.J. Smith and S.T. Bui, Performance of longitudinal mode KD*P Pockels cells with transparent conductive electrodes, SPIE Vol. 1410 Solid State Lasers II (1991)), иных подходящих прозрачных электродов и т.п.

На Фиг. 7 на виде сбоку показан многопроходный усилитель, включающий в себя систему введения светового излучения накачки, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В многопроходном усилителе, проиллюстрированном на Фиг. 7, совместно используются элементы, которые являются общими с системой многопроходного усилителя, проиллюстрированной на Фиг. 5, и для ясности и краткости не обязательно дано описание этих общих элементов. На Фиг. 7 проиллюстрированы модули-усилители и наборы зеркал, расположенных под углом 45 градусов, для направления пучка в набор модулей-усилителей позади плоскости чертежа. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 7, световое излучение накачки вводят с использованием дихроичных зеркала для обеспечения возможности торцевой накачки пластинок-усилителей вдоль направления, соосного с направлением светового луча, подлежащего усилению (падение по нормали). Положения поляризаторов и зеркал, используемых для направления усиленных пучков, могут быть отъюстированы с учетом размещения дихроичных зеркал 710, используемых для накачки усиливающих сред. Конструкция, проиллюстрированная на Фиг. 7, обеспечивает возможность того, что световое излучение накачки доходит до усиливающих сред, при этом, по-прежнему сохраняется высокий коэффициент полезного действия для усиленных пучков светового излучения.

Для направления светового излучения диодной накачки на торцы и/или ребра усилителя могут использоваться оптические концентраторы или каналы различных типов. Как концентрации активного вещества лазера, так и значения толщины пластинки могут изменяться вдоль длины узла усилителя для удержания термоиндуцированных фазовых искажений и термоиндуцированного двулучепреломления при деформации в пределах приемлемых допусков.

На Фиг. 8 на виде в перспективе проиллюстрирован способ накачки пластинок-усилителей через зазор согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На Фиг. 8 проиллюстрирована одна пластинка-усилитель, хотя обычно используется множество пластинок, как проиллюстрировано на Фиг. 3 и на других описанных здесь чертежах.

К верхней поверхности пластинки-усилителя 820 присоединено ребро 810, которому обычно придана коническая форма. Аналогичное ребро 811 присоединено к нижней грани пластинки-усилителя. Ребра обеспечивают аэродинамическую среду, которая усиливает поток гелия, подаваемого под высоким давлением, который используют в качестве охлаждающей текучей среды. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения гелий течет вверх мимо пластинки-усилителя 820 и ребер 810 и 811.

Пластинка-усилитель имеет краевую оболочку 830, расположенную вокруг краев пластинки-усилителя, для сбора усиленного спонтанного излучения (ASE), проходящего через пластинки. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения краевую оболочку 830 охлаждают за счет циркуляции воды через каналы 832 охлаждения краевой оболочки. Световое излучение накачки вводят через каналы 840, расположенные в направлении, перпендикулярном к направлению распространения усиленного светового излучения. Каналы отделяют пластинки друг от друга с зазором между пластинками, через который протекает охлаждающий газ.

В конкретном варианте осуществления изобретения каналы 840 характеризуются заданными размерами, например, пластины имеют толщину, приблизительно, 3 мм и длину, приблизительно, 40 см. На каналы наложена краевая оболочка, и между пластинками образуются распорки. Световое излучение накачки выходит из канала на внутренние поверхности каналов, расположенных между пластинками, и распространяется в область между соседними пластинками. Поскольку происходит дифракция светового излучения накачки при его выходе из канала или из-за конструкции поверхности канала, то световое излучение накачки входит в область зазора с разбросом по углу. Поскольку свет в области с более низким показателем между пластинками-усилителями падает на пластинки с более высоким показателем, то световое излучение накачки входит в пластинки-усилители, обеспечивая усиление.

Лицевые поверхности пластинок-усилителей могут быть протравлены или иным образом усовершенствованы для улучшения прохождения светового излучения накачки из области зазора в пластинки-усилители. Таким образом, несмотря на то, что пластинки-усилители могут иметь противоотражательное (AR) покрытие для света, падающего по нормали, с использованием травления, слоем золь-геля и т.п., они могут поглощать световое излучение накачки через эти лицевые поверхности. В качестве примера, лицевые поверхности пластинок могут быть протравлены в виде нерегулярной структуры или обработаны иным подходящим способом для увеличения прохождения светового излучения накачки в пластинки-усилители из-за рассеяния, отклонения и т.п.

В некоторых вариантах осуществления изобретения выходные поверхности каналов 840 могут быть расположены под углом для того, чтобы числовая апертура канала соответствовала коэффициенту связи пластинки-усилителя, для обеспечения равномерного поглощения светового излучения накачки по всей поверхности пластинки-усилителя. Как изложено выше, могут быть использованы структуры, создающие мягкое рассеяние при падении под углом и действующие в качестве противоотражательного (AR) покрытия при падении по нормали, которые эффективно связывают световое излучение накачки, входящее в пластинки-усилители, обеспечивая, тем не менее, высококачественные покрытия с точки зрения характеристик разрушения. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, вместо каналов 840 или в дополнение к ним также могут использоваться волоконные соединители, присоединенные к полупроводниковым лазерам.

На Фиг. 9 показана упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована архитектура двухпроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на Фиг. 9, может быть реализована двухпроходная архитектура, которая не включает в себя переключатель (например, PEPC) для предотвращения ASE или широкоапертурный вращатель плоскости поляризации на эффекте Фарадея. Пластинки-усилители, используемые на Фиг. 9, а также в других вариантах осуществления настоящего изобретения, могут быть расположены так, что принимают свет, падающий, по существу, по нормали (не под углом Брюстера), и покрыты противоотражательным (AR) покрытием, или могут быть расположены так, чтобы принимают свет под углом Брюстера, и не покрыты противоотражательным (AR) покрытием. На Фиг. 10 показана упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрировано интегрирование набора вариантов архитектуры двухпроходного усилителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 10, две двухпроходные траектории пучков могут быть расположены одна поверх другой и совместно использоваться так, что, импульсы лазерного излучения не проходят через один и тот же оптический элемент более одного раза.

Со ссылкой на Фиг. 9, свет входит в систему через TSF 910 с S-поляризацией. Свет усиливается усилителем мощности 912, который в проиллюстрированном варианте осуществления изобретения, включает в себя множество пластинок, расположенных под углом Брюстера. После отражения от зеркала 914 входное световое излучение отражается от поляризатора 920, который ориентирован так, что отражает свет с S-поляризацией и пропускает свет с P-поляризацией. Затем QWP 922 преобразовывает отраженный свет в свет с круговой поляризацией. После отражения от зеркала 924 при втором проходе через QWP 922 она преобразовывает свет в свет с P-поляризацией, что обеспечивает возможность прохождения света через поляризатор 920 и его введения в CSF 930. CSF, который в некоторых вариантах осуществления изобретения является необязательным, выполняет фильтрацию света для улучшения качества пучка. Свет с P-поляризацией совершает первый проход через основной усилитель 932, который в проиллюстрированном варианте осуществления изобретения включает в себя множество пластинок, ориентированных под углом Брюстера. После отражения от зеркала 934 свет совершает второй проход через основной усилитель 932, в результате чего обеспечиваются два прохода с усилением. Усиленное световое излучение проходит через необязательный CSF 930, поляризатор 920, и QWP 922 преобразовывает его в свет с круговой поляризацией. После заключительного отражения от зеркала 924 QWP преобразовывает свет в свет с S-поляризацией, который отражается от поляризатора 920 к зеркалу 914, начиная выходить из системы усилителя.

Со ссылкой на Фиг. 10, свет входит в пару расположенных друг над другом усилителей и отражается от зеркала 1010. Свет с S-поляризацией отражается от поляризатора 1024 и совершает два прохода через QWP 1022 (до и после отражения от зеркала 1020), которая преобразовывает свет в состоянии с S-поляризацией в P-поляризацию. Затем свет проходит через поляризатор 1024 и усиливается во время прохода через основной усилитель 1026. Затем свет направляют ко второму основному усилителю 1036 после отражения от зеркал 1028 и 1038.

Свет усиливается второй раз при его прохождении через основной усилитель 1036. Дважды усиленный свет с P-поляризацией проходит через поляризатор 1034, преобразовывается в свет с S-поляризацией после двух проходов через QWP 1032 (и отражения от зеркала 1030), и отражается из системы усилителя за счет отражения от поляризатора 1034 и зеркала 1040. Таким образом, каждый усилитель представляет собой однопроходный усилитель для траектории пучка, проиллюстрированной на Фиг. 10. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 10, другая траектория пучка может проходить от выхода до входа в обратном направлении. Для специалиста со средним уровнем компетентности в данной области техники понятно, что существует множество изменений, модификаций и альтернативных вариантов.

На Фиг. 11 показана упрощенная принципиальная схема, на которой проиллюстрирована конструкция одноапертурного четырехпроходного усилителя с ячейкой Поккельса с плазменным электродом (PEPC), работающей "при малой мощности". Как изложено выше термин "малая мощность" приведен в сравнении с выходной мощностью описанных здесь оптических систем, получаемой в конце. В усилителе, проиллюстрированном на Фиг. 11, совместно используются элементы, которые являются общими с системой усилителя, проиллюстрированной на Фиг. 9 и для ясности и краткости не обязательно даны описание или нумерация этих общих элементов. Как проиллюстрировано на Фиг. 11, свет, подвергаемый усилению, вводят в состоянии с S-поляризацией, и он отражается от поляризатора к QWP, которая преобразовывает поляризацию света в круговую поляризацию. Во время первого прохода с усилением свет проходит через пластинки и проходит через оптический компенсатор двулучепреломления. Перед вторым проходом с усилением через пластинки свет отражается назад через необязательный компенсатор двулучепреломления. QWP преобразовывает поляризацию в P-поляризацию, вследствие чего свет (совершивший два прохода с усилением) проходит через поляризатор к переключателю, работающему при малой мощности. Переключатель функционирует таким образом, что пропускает свет для того, чтобы он мог быть отражен назад к пластинкам. После того, как свет проходит через переключатель после отражения, переключатель может быть закрыт.

Затем свет проходит через поляризатор и QWP, которая преобразовывает поляризацию света в круговую поляризацию. После двух дополнительных проходов с усилением через пластинки (и возможный компенсатор двулучепреломления), QWP преобразовывает поляризацию света в S-поляризацию, и он отражается от поляризатора, выходя из системы усилителя. На Фиг. 12 в развернутом виде показан вариант системы, проиллюстрированной на Фиг. 11, на котором проиллюстрирован оптический путь в течение четырех проходов с усилением. Переключатель, работающий при малой мощности, обеспечивает возможность подавления паразитных мод с использованием электрооптического переключателя, работающего при меньших уровнях мощности, чем уровень мощности усиленного пучка в конце. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 11 и Фиг. 12, подавление паразитных мод осуществляют после двух из четырех проходов с усилением. Несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения рассмотрены здесь для применений в усилителе, применения для лазеров также не выходят за пределы объема вариантов осуществления настоящего изобретения.

В вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на Фиг. 9 - Фиг. 12, может не использоваться трехмерная архитектура, рассмотренная со ссылкой на Фиг. 4A - Фиг. 4D, но они могут отличаться наличием двумерной архитектуры в том смысле, что модули-усилители не обязательно скомпонованы в двух измерениях. Со ссылкой на Фиг. 4D, модули-усилители скомпонованы в виде матрицы 2x2 в плоскости, по существу, ортогональной к направлению распространения света, усиливаемого в модулях-усилителях. Эта геометрическая конфигурация может не являться необходимой в вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на Фиг. 9 - Фиг. 12. Таким образом, варианты осуществления изобретения, проиллюстрированные на Фиг. 9 - Фиг. 12, могут рассматриваться как подмножество более общих трехмерных геометрических конфигураций, проиллюстрированных на Фиг. 4A - Фиг. 4D. Для специалиста со средним уровнем компетентности в данной области техники понятно, что существует множество изменений, модификаций и альтернативных вариантов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть желательным включение в состав устройства компенсаторов двулучепреломления, указанных на Фиг. 3 и Фиг. 11. Двулучепреломление, вызванное деформацией, может вызывать пространственно зависимую деполяризацию импульсов лазерного излучения, проходящих через лазерные усилители. Для обеспечения возможности коррекции состояния поляризации, идентично искаженного после усилителя, может потребоваться добавление пластины компенсатора для изменения знака деполяризации на обратный между проходами через усилитель.

Также понятно, что описанные здесь примеры и варианты осуществления изобретения приведены только лишь в качестве иллюстративного примера, что в связи с ними для специалистов в данной области техники будут предложены различные модификации или изменения и что они не должны выходить за пределы сущности и сферы действия этой заявки на изобретение, а также объема прилагаемой формулы изобретения.

Claims

1. Система для усиления светового излучения, содержащая:
первый отражатель, выполненный с возможностью принимать входное световое излучение через первую апертуру и направлять входное световое излучение вдоль оптического пути, причем это входное световое излучение характеризуется состоянием поляризации;
первый поляризатор, расположенный вдоль оптического пути, причем этот первый поляризатор выполнен с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся состоянием поляризации;
первый набор модулей-усилителей, расположенных вдоль оптического пути, причем каждый модуль-усилитель из первого набора модулей-усилителей содержит:
входное окно;
четвертьволновую пластину;
множество пластинок-усилителей, расположенных упорядоченно, по существу, параллельно друг другу; и
выходное окно;
второй набор модулей-усилителей, расположенных вдоль оптического пути, причем каждый модуль-усилитель из второго набора модулей-усилителей содержит:
входное окно;
четвертьволновую пластину;
множество пластинок-усилителей, расположенных упорядоченно, по существу, параллельно друг другу; и
выходное окно;
набор зеркал, выполненных с возможностью отражать световое излучение, выходящее из первого набора модулей-усилителей, для его ввода во второй набор модулей-усилителей;
второй поляризатор, расположенный вдоль оптического пути, причем этот второй поляризатор выполнен с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся состоянием поляризации; и
второй отражатель, расположенный вдоль оптического пути и выполненный с возможностью направлять световое излучение через вторую апертуру.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая пластину-корректор, выполненную с возможностью уменьшать, по меньшей мере, одну из следующих величин: фазовую погрешность или поляризационную погрешность.

3. Система по п. 1, в которой оптический путь продолжается от первой апертуры до второй апертуры.

4. Система по п. 1, дополнительно содержащая усилитель мощности, оптически связанный с первой апертурой системы для усиления светового излучения.

5. Система по п. 1, в которой каждый из первого и второго наборов модулей-усилителей содержит два модуля-усилителя.

6. Система по п. 1, в которой каждый из первого и второго набора модулей-усилителей охлаждается потоком газа.

7. Система по п. 6, в которой упомянутым газом является гелий.

8. Система по п. 1, в которой первый отражатель содержит входной отражатель для первой траектории пучка и выходной отражатель для второй траектории пучка.

9. Система по п. 1, дополнительно содержащая переключатель, расположенный между зеркалами из указанного набора зеркал.