大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述.pdf

文章编号2097-1842（2023）05-0996-14大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述陈毅1，孙俊杰1,2*，于晶华1,2，姚志焕1,2，张逸文1，于德洋1，何洋1，张阔1，潘其坤1，陈飞1*（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033；2.中国科学院大学,北京100049）摘要：为了明晰碟片多通放大器的腔体设计方法，本文对不同类型的碟片多通放大器做归纳与总结，共归纳出 4f 中继成像、谐振腔设计/光学傅立叶变换、近准直光束传输与其他共 4 种设计理念的多通放大器。介绍了每种放大器的设计方法并详尽列举了研究现状。通过对比 4 种类型的碟片多通放大器，发现不同种类的多通放大器各有优缺点。4f 中继成像需要真空环境以避免焦点处的气体电离，因此机械装置与调试难度较大；谐振腔设计/光学傅立叶变换概念多通放大器的镜片处存在较小光斑，因此较适用于较低能量的多通放大器；近准直光束传输方法由于不需要真空环境，具备很大的发展潜力，但需要精准控制激光运转状态下的碟片面形，难度也较大。因此，从激光器设计角度来看，需要对碟片多通放大器继续进行优化设计，从而同时实现使用场景的多元化与输出能量的可持续拓展。关键词：激光；碟片；多通放大器；腔体设计；激光放大器中图分类号：TN248文献标志码：Adoi：10.37188/CO.2023-0009Reviewofthecavity-designofhigh-energythin-disklasermulti-passamplifiersCHENYi1，SUNJun-jie1,2*，YUJing-hua1,2，YAOZhi-huan1,2，ZHANGYi-wen1，YUDe-yang1，HEYang1，ZHANGKuo1，PANQi-kun1，CHENFei1*（1.State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics andPhysics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）*Corresponding author，E-mail:;Abstract:Inordertoclarifythecavitydesignmethodsofthin-diskmulti-passamplifiers,wesummarizethedifferenttypesofthin-diskmulti-passamplifiersandconcludesthattherearefourfundamentaldesigncon-cepts:(1)4frelayimaging,(2)resonantcavitydesign/opticalFouriertransform,(3)near-collimatedbeamtransmission,and(4)others.Eachamplifierdesignmethodisdescribedandthecurrentstatusofitsresearch收稿日期：2023-01-05；修订日期：2023-02-05基金项目：长春光机所创新重大项目（No.E10302Y3M0）；吉林省青年成长科技计划项目（No.20220508041RC）SupportedbyInnovateMajorProject,CIOMP(No.E10302Y3M0);JilinProvinceYouthGrowthScienceandTechnologyProject(No.20220508041RC)第16卷第5期中国光学（中英文）Vol.16No.52023 年 9 月ChineseOpticsSept.2023islistedinasmuchdetailaspossible.Bycomparingthefourtypesofdiskmulti-passamplifiers,itisfoundthat the varying methods have distinct advantages and disadvantages.4f relay imaging requiresavacuumenvironmenttoavoidgasionizationatthefocalpoint,makingthemechanicsandadjustmentmore difficult;the resonant cavity design/optical Fourier transform concept multi-pass amplifier has asmallspotatthemirrors,makingitmoresuitableforlowerenergymulti-passamplifiers;thenearcollimatedbeamtransmissionmethodhasgreatdevelopmentpotentialbecauseitdoesnotrequireavacuumenviron-ment,butaccuratelycontrollingthesurfaceshapeofthethin-diskisdifficultwhilethelaserisoperating.Therefore,fromtheperspectiveoflaserdesign,itisnecessarytocontinuetooptimizethedesignofthethin-diskmulti-passamplifiertorealizethediversificationofapplicationscenariosandthesustainableexpansionofoutputenergy.Keywords:laser；thin-disk；multi-passamplifier；cavity-design；laseramplifier1引言固体激光器1-3有多种体制，其中，碟片激光技术的散热表面积体积比不随通光孔径的增加而变化，因此具备极大的功率/能量扩展性。Yb:YAG碟片再生放大器已经实现单脉冲能量为 200mJ、重频为 5kHz、脉宽为 1.1ps 的高能激光脉冲4与 单 脉 冲 能 量 为 95mJ（压 缩 前）、重 频 为20kHz 的高重复频率激光脉冲5。但受限于再生放大器中 BBO（BaB2O4）普克尔盒的通光孔径与损伤阈值，碟片再生放大器的能量提升陷入瓶颈。为解决该问题，一般使用碟片多通放大器继续提升激光能量。由于碟片晶体的厚度很薄，一般为100500m，单通增益低，需要数十次通过碟片提取能量，因此碟片多通放大器的腔体光路设计较为复杂。国际上经过近 20 年的发展，发展出 4f 中继成像、谐振腔设计/光学傅立叶变换、近准直光束传输等概念的碟片激光多通放大器，本文对其设计理念与研究进展进行归纳与阐述，并对下一步发展做展望。2基于 4f 中继成像的多通放大器4f2.1常规中继成像多通放大器基于 4f 传输系统的多通放大器的应用案例6-9较多，其基本原理如图 1 所示。碟片晶体位于传输透镜的焦点位置，两片传输透镜的间距为 2f。其优点是经过 4f 系统传输后光斑尺寸保持不变。对于具有不同光斑半径、波前曲率的光束，经过 4f 系统后的光斑变换情况如图 2（彩图见期刊电子版）所示（使用 ABCD 矩阵计算得到），其中碟片晶体的光焦度（即焦距的倒数）为零，即不存 在 热 透 镜 效 应，传 输 透 镜 的 焦 距 为 1m。Beam1、Beam2 与 Beam3 的入射光斑半径与波前曲率半径分别如表 1 所示，可见经过 4f 系统传输后，再现了入射光束的光斑半径与波前曲率。ffffwdwdThin diskThin diskLensLenswf图14f 中继传输系统。带有两个透镜的中继成像可再现碟片上激光束的相位和强度分布6Fig.14f relay transmission system.Relay imaging withtwolensestoreproducethephaseandintensitydis-tributionofthelaserbeamonthethinclisk600Beam spot radius/mm0.51.01.52.02.53.01 0002 000Position/mm3 000Beam 1Beam 2Beam 34 000Thin-diskThin-diskLensLens图2不同半径、不同波前曲率的光束在 4f 系统内传输情况（碟片光焦度为 0，光焦度指焦距的倒数）Fig.2Graphofbeamswithdifferentspotradiiandwave-frontcurvaturespropagatingina4fsystem(Thedi-opterofthin-diskis0,andthediopterreferstothereciprocalofthefocallength)图 3（彩图见期刊电子版）展示了光束通过5 个 4f 系统，入射光束的参数如下：光斑半径为第5期陈毅,等:大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述9970.5mm、波前曲率半径为 10m，图中绿色五角星指碟片所在位置，蓝色方块代表传输透镜所在位置，传输透镜的焦距为 1m。图 3 中，碟片晶体的光焦度为 0 时，即 Diopterthin-disk=0m1，光束通过 5 个 4f 系统后，保持光斑半径和波前曲率不变，但当碟片晶体的光焦度不为 0 时，输出光束的光斑半径与波前曲率均发生变化，尤其 4f 系统内的最小光斑逐渐变小，最大光斑逐渐变大。这将带来 2 个问题：（1）系统内光斑最小位置处的能量密度逐渐增大，直到大于器件的损伤阈值；（2）系统内的最大光斑尺寸逐渐变大直到大于器件尺寸。4f表1系统传输前后的光束参数Tab.1Beam parameters before and after 4f systemtransmission光束1光束2光束3入射前参数光斑半径0.12mm光斑半径1.5mm光斑半径3mm波前曲率半径1m 波前曲率半径1m 波前曲率半径106m传输后参数光斑半径0.12mm光斑半径1.5mm光斑半径3mm波前曲率半径1m 波前曲率半径1m 波前曲率半径106mSpot radius/mmPosition/m201510500.40.60.81.01.21.4Diopterthin-disk=0 m1Diopterthin-disk=0.2 m1Diopterthin-disk=0.2 m1Thin-diskLens图3不同碟片晶体光焦度时光束在 5 个串联 4f 系统内的传输情况Fig.3Transmissioncurvesofbeamswithin5tandem4fsystemswhenthediopterofthethin-diskisdifferent调研统计到的基于 4f 系统的多通放大方案有 4 种，分别是德国斯图加特大学 DanielMller提出的透镜/抛物面镜+棱镜方案6、德国德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹研究中心的 4f 系统7,10、巴黎第十一大学的双碟片 4f 系统8,11、德国宇航中心12等，下面分别讲述。2.1.1德国斯图加特大学 4f 系统如图 4 所示，德国斯图加特大学 MllerD 等6使用透镜与棱镜将 4f 系统小型化，实现 16 通激光放大（由于碟片晶体后表面的反射作用，因此激光被碟片反射 1 次算 2 通），通过扩大透镜与棱镜尺寸，理论上激光放大次数不受限制。Folding unitsThin disk(a)(b)Lens图4（a）包含一个透镜和两个棱镜对的 4f 系统光路；（b）通过透镜的光束位置6Fig.4(a)Opticalpathofa4fsystemconsistingofonelensand two prism pairs;(b)position of the beampassingthroughthelens6由于图 4 所示方案的光束焦点处于棱镜对附近，能量密度较高，因此棱镜易损坏，为降低棱镜的损伤几率，作者提出图 5 所示的改进方案。与图 4 相比，使用抛物面镜代替透镜，通过增加棱镜的数量与排列方式使得光路焦点位于空气中。作者使用该放大器实现 48 通放大，得到脉冲能量为 11.6mJ、脉冲重复频率为 1kHz、脉宽为 0.30.6s 的激光。Parabolic mirrorFolding unitsThin diskYXZ图5包含抛物面镜与棱镜的碟片多通放大器6Fig.5Thin-diskmulti-passamplifierwithparabolicmir-rorsandprisms62.1.2德国德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹研究中心的 4f 系统2012 年，德国德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹研究中心 LoeserM 等7使用基于 4f 中继成像的12 通放大器（图 6），直接放大再生放大器注入的200J、1.8ps 激光，得到 30mJ 激光输出，脉冲重复频率达 10Hz。同年，该课题组使用陶瓷 Yb:LuAG 多通放大器，将 1mJ、脉宽 6ns 种子光放大至 580mJ，重频 100Hz，最大光光转换效率为28%10。998中国光学（中英文）第16卷Yb:YAG10 Wfiber-coupledlaser diodeRegenerativeamplifierPCTFPFRPBST1T2Seed and pulse selection200 J 2.5 ps35 mJ 2.5 psIMYb:YAGMulti-pass amplifier2.4 kWQCWdiode stack250 fs0.5 Woscillator/4/2图6基于 4f 中继成像的 12 通碟片放大器7Fig.612-passthin-diskamplifierbasedon4frelayima-ging72.1.3巴黎第十一大学的双碟片 4f 系统2013 年，巴黎第十一大学 FriebelF等8,11使用 2 个 Yb:CaF2作为端面镜，基于 4f 中继传输系统设计了 18 通碟片放大器（图 7-图 8），将 1.1mJ种子光放大至 57mJ，脉冲重复频率为 20Hz，光束质量 M2=1.1。TFPQWPMFI1FI2MT1Yb:YAGboosterHWPHWP(a)(b)(c)McLaL5L4L1L2L3MLAPM1M1M2T2LD2M4M1M2M4M3M3LbMbMaPCDMYb:LuAG/Yb:YAGYb:LuAG/Yb:YAGYb:LuAG/Yb:YAGLD1PM2图7基于 4f 中继成像的 14 通碟片放大器10Fig.714-passthin-diskamplifierbasedon4frelayima-ging115 cmROC:2 m30 cm2/4Re-injectionOutput57.4 mJ,20 Hz3.1 nm,1 030 nmS-pulse Yb:KYWregenerative amp.1 kHz,2 mJ,3-5 nm,1 030 nm.pJ 1 030 nm fromthe Ti:Sapphireoscillator1:3.75Yb:CaF22 mm,2.2%Npasses=9Total Npasses=18980 nm,400 W,20 Hz,2.25 ms,1.8 J,36 Wdiameter 0.65 m图8基于双碟片 4f 系统的 18 通放大器8,11Fig.818-passamplifierbasedonadualthin-disk4fsys-tem8,112.1.4德国宇航中心提出的 4f 系统2020 年，德国宇航中心 ZwilichM 等12使用基于 4f 中继成像系统的 14 通放大器，对 75mW注入光放大，获得增益 G=1.3。图 9 为其原理图与实物图，使用圆形对称结构从而获得对称光路且光程相同。(a)(b)(c)DiskDiskMirror12 3 4 56 7 8 9 Disk3.0 m3.0 mf=1.5 m8 65 37 12 4Mirror图9基于 4f 中继成像系统的 14 通放大器。（a）单碟片双通放大器俯视图；（b）非折叠的光路传输示意图；（c）碟片多通放大器实物图12Fig.914passamplifierbasedon4frelayimagingsystem.(a)Topviewofthesinglethin-diskdual-passampli-fier;(b)schematic diagram of non-folded opticalpathtransmission;(c)physicaldiagramofthethin-diskmulti-passamplifier122.2改进的中继成像多通放大器虽然 4f 中继成像系统结构简单，且保证中继成像的光斑尺寸不变，但当系统内存在热透镜时，存在 2 个不利因素：（1）系统内最小光斑逐渐减小（见图 3），导致能量密度逐渐增大直至大于器件的损伤阈值；（2）系统内的最大光斑逐渐增大直至大于器件尺寸。这对高能多通放大激光器的使用是不利的。为弥补热透镜效应，多家机构给出了解决方案，大体有 2 种：（1）使用相反面形的端面镜补偿碟片的热透镜效应；（2）采用液氮制冷减小热效应并减小所需的放大次数。除此之外，将双中继成像系统放大通数提升至 64 通13，甚至更多。2.2.1相反面形端面镜补偿热效应图 10 展示了德国宇航中心 SpeiserJ 等14提出的带有补偿镜、基于中继成像的碟片多通放大器，其中最右端的端面镜的曲率半径与碟片晶体的热致曲率半径相等，面形相反，例如凸面镜对应凹面镜，从而补偿碟片晶体热效应，使得待放大激光每次通过碟片晶体时都具有相同的光斑半径与发散角。该多通放大器中碟片共反射待放大激第5期陈毅,等:大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述999光 12 次，将 2kW 连续波入射激光放大至 14kW，光束质量 M2=10。类似使用补偿镜的报道还包括日本国家量子与辐射科学技术研究所 YoshihiroOchi 等的成果15。2016 年，耶拿大学 KrnerJ 等16将中继成像中的一个抛物面镜与补偿镜用 1 个补偿镜代替，简化了系统的结构，简化后的光路如图 11所示。L1L22d1d2In/out图11改进中继成像光路图（使用一个补偿镜代替抛物面镜与补偿镜）16Fig.11Improvedrelayimagingopticalpathdiagram(Us-ingacompensatingmirrorinsteadofaparabolicmirrorwithacompensatingmirror)16在商用产品方面，德国 Dausinger+Giesen 公司推出输出能量达 750mJ、脉宽小于 3ps、脉冲重复频率为 11.75kHz 的商用激光器，采用啁啾脉冲放大方案，系统使用工业设计的真空室17，及真空设计的 TDM30 碟片泵浦模块，多通放大器基于 4f 中继成像原理，并使用端面补偿镜补偿碟片形变。2.2.2低温（100K）制冷减小热效应并减小所需的放大次数低温制冷从应力、热学与光学等多方面改变增益介质的性质，以 YAG 举例，在不同温度，90K 与298K 时，其机械、热学特性将发生如下改变18：（1）热导率提升至 4.1 倍；（2）热致折射率系数 dn/dT 降低至约 1/8，其中 n 与 T 指折射率与温度；（3）热膨胀系数降低至约 1/3。这使得热透镜效应与光学畸变大幅下降。光学特性的改变如下（以掺杂浓度为2%的Yb:YAG 单晶举例，80K与 293K 温度下的性能对比结果）18,19：（1）吸收截面峰值强度提升约 3 倍；（2）发射截面峰值强度提升约 5 倍。这带来更高的吸收与辐射效率，在保证相同光光转换效率的前提下，可减小放大通数。总的来说，低温制冷可在提升光光转换效率的同时，使系统拥有更佳的光束质量。当然，低温制冷也会引起吸收、辐射谱宽度（FWHM）减小等，这对于需要宽增益谱的应用是不利的。2014 年，德国汉堡大学 CalendronAL 等使用 4f 中继成像+万花筒系统组成的 12通放大器，将 Yb:YAG 晶体温度控制在 8293K，实现50mJ、100Hz 重复频率的激光输出20，其光路如图 12 所示。2015 年，该课题组将输出激光参数提升至单脉冲能量 100mJ、重频 250Hz、光谱带宽 0.6nm、脉宽 700ps（未压缩）9。AngledkaleidoscopeCryogenicYb:YAG CTDFeatures:Telescope for relay imagingOutInStrict image relaySmoothing with every transitPassive polarization switching图12基于 4f 中继成像+万花筒系统的碟片 12 通放大器20Fig.12Thin-disk 12-pass amplifier based on a 4f relayimaging+kaleidoscopesystem202.3双中继成像系统基于中继成像系统的多通放大器为实现更大的放大次数，需要更大尺寸的透镜或抛物面镜，系统体积随之增大。为缩小系统体积，俄罗斯科学院应用物理研究所 PerevezentsevE 等13给出双中继成像传输系统的设计概念，其光路原理如图 13 所示。他们利用 KrnerJ 等16提出的概念，使用 1 个补偿镜代替 1 个抛物面镜+1 个补偿镜，进一步缩小系统体积。作者使用 Yb:YAG 碟片双中继成像 64 通放大器，将平均功率为 5W、脉宽为 2ns 的入射激光放大至 50W，光光转换效率约 10%，脉冲重复频率为 10kHz。Thin-disklaser moduleMultipassamplifier图10带有补偿镜、基于中继成像的碟片多通放大器俯视图14Fig.10Topviewofthethin-diskmulti-passamplifierwithcompensationmirrorbasedonrelayimaging141000中国光学（中英文）第16卷3基于激光器谐振腔设计/光学傅立叶变换概念的多通放大器3.1基于激光器谐振腔设计的多通放大器基于激光器谐振腔设计的多通放大器是通过叠加多个稳定谐振腔得到的，谐振腔之间通过反射镜阵列连接。如图 14（彩图见期刊电子版）为德国马克斯普朗克量子光学研究所 AntogniniA 等21实现的 24 通放大器。其中，14(a)、14(b)分别是放大器的俯视图与侧面图，镜片 K1、K2与碟片构成一个稳定谐振腔，利用 24 个平面反射镜构成的反射镜阵列实现 12 个稳定谐振腔的串联，即实现 24 通放大器。与基于 4f 中继成像的多通放大器相比，在系统内最小光斑尺寸相同的前提下，该系统受碟片热透镜效应的影响更小，且相同放大次数所需的光程更小，因此系统更紧凑。作者使用该多通放大器将 12mJ、30ns 脉冲放大至48mJ，脉冲重复频率为 850Hz。2013 年，Schuh-mannK 将输出能量提升至 150mJ22。2009 年，德国马克斯波恩研究所 TmmlerJ等23展示了类似的 24 通放大器，将 90mJ、2ns脉宽的啁啾脉冲放大至 320mJ，重频 100Hz。3.2基于光学傅立叶变换概念的多通放大器碟片晶体存在泵浦区域与未泵浦区域，因此沿碟片晶体径向存在位置相关的增益，通常也称为“软光阑”24。软光阑入射与出射的光斑半径满足公式（1）：w2out=w2in+W2,（1）其中，win为入射光斑半径；wout为出射光斑半径；W2为高斯孔径光强透射函数的 1/e2半径。InputOutput2135467Mirror 5Mirror 20.6 kWdiode pumpYb:YAGDismond heat sinkOutR=1 600 mm32 V-pass booster matrix multi-pass scheme disk amplifierFront endFiber laser 300 fs3 W 3 MHzPC pulsepicker4-pass thin tapered rodamplifier-CVBG stretcher2-pass thin taperedrod amplifier10 mW0.5 W5 W2 ns10 kHzr2=1 000 mmr1=850 mmLaser headInputOutput20 V-passes图13基于双 4f 中继成像系统的碟片 64 通放大器13Fig.13Thin-disk64passamplifierbasedonadual4frelayimagingsystem13(a)(b)K2K1Thin-diskInput beam154362ArrayThin-diskMirror K1Mirror K2/4图1424 通放大器的光路示意图。（a）光路连续通过 1-disk-2-K2-3-disk-4-K1-5-disk-6-K2-7。其中：17 代表图 14（b）中的镜片编号；K1、K2分别表示凹面反射镜 K1与凸面反射镜 K2；K1K2定义了光学稳定腔。（b）反射镜阵列编号与其他元件的侧面投影位置Fig.14Schematicdiagramoftheopticalpathofthe24-passamplifier.(a)Theopticalpathpassescontinu-ously through 1-disk-2-K2-3-disk-4-K1-5-disk-6-K2-7,where1-7representsthemirrornumbersinFigure 14(b),K1 and K2 represent the concavemirrorK1andconvexmirrorK2,respectively.K1-K2definestheopticalstablecavity.(b)Thereflect-orarraynumberandthelateralprojectionpositionofotherelements第5期陈毅,等:大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述1001虽然 4f 中继传输系统本身不改变传输前后的光斑半径，但由于碟片晶体本身存在“软光阑”效应，故每次通过碟片晶体后，光束的光斑均会变小。基于 4f 中继成像多通放大器的另一个更重要的缺点是输出光束的发散角强烈依赖于碟片晶体的光焦度变化 V。出射光束的波前曲率半径R 与 V 的关系为R1out,N=NV,（2）R1out,NR1out,N其中为第 N 次通过碟片晶体后光束的波前曲率半径倒数。与 V 呈线性关系，且随放大次数 N 呈线性累积，因此 V 对光束的发散影响很大。为解决该问题，瑞士苏黎世联邦理工 Schuh-mannK 等24提出一种基于光学傅立叶变换的多通放大器。其输出光斑与波前曲率倒数随碟片晶体光焦度的变化如图 15（彩图见期刊电子版）所示。可见在很大的光焦度变化范围内，输出光斑与波前曲率倒数的变化非常小。1/FN=16W=4win0win2win(a)(b)wout0V1/F1/F2 F12 F01N=16W=4win1/Rout0V1/F图1516 通 4f 放大器与光学傅立叶传输多通放大器的（a）输出光斑与（b）波前曲率倒数随碟片晶体光焦度的变化。红色虚线代表 4f 多通放大器，蓝色实线代表光学傅立叶传输多通放大器，灰色实线代表理想情况的光学傅立叶传输多通放大器24Fig.15Variation in(a)output spot and(b)wavefrontcurvatureinversewithadiopterofthin-diskforthe16-pass4famplifierandopticalFouriertransmis-sionmulti-passamplifier.Thereddashedlinerep-resentsthe4fmulti-passamplifier,thebluesolidline represents the optical Fourier transmissionmulti-passamplifier,andthegraysolidlinerepres-ents the optical Fourier transmission multi-passamplifierinidealcircumstances24图 15 中红色虚线表示 16 通 4f 多通放大器的输出光斑半径与波前曲率倒数随碟片晶体光焦度的变化，可见输出光斑 wout与输入光斑 win相比显著减小；波前曲率倒数对碟片晶体光焦度的变化非常敏感，几乎呈垂直变化。因此，作者指出基于中继成像的放大器非常适合热透镜较小的低功率激光器，但不适合具有良好输出光束质量的高功率激光器24。该系统的特点是：（1）必须通过碟片晶体偶数次；（2）变换系统的焦距需满足：F=w2in.（3）基于光学傅立叶传输的 8 通放大器的光束传播路径如图 16（彩图见期刊电子版）所示。可见，输出光束的半径、发散角几乎与输入光束保持一致。根据公式(3)可知，光束半径 win=5.4mm，波长=1030nm，则变换系统焦距 F=90m。为缩短系统长度，作者利用伽利略望远镜概念，令碟片晶体作为望远镜的一部分，配合望远镜的另一个镜片，成功将 F 缩短至 1.72m。两个光学傅立叶传输系统之间使用 4f 系统来保证通过碟片晶体数为偶数次，其传输过程如图 17（彩图见期刊电子版）所示。0winwwin02Fz4F6F8F图16基于光学傅立叶传输的 8 通放大器的光束传播。（黑线代表碟片晶体光焦度为 0，红线和蓝线代表碟片晶体光焦度分别为1/(40f)的光束传播，f 为4f 系统的焦距）24Fig.16Beampropagationofan8-passamplifierbasedonopticalFouriertransmission.(Theblacklinerep-resentsthediopterofthethin-diskat0.Theredandbluelinesrepresentthediopterofthethin-diskare1/(40f),andfisthefocallengthofthe4fsys-tem)242019 年，该课题组基于傅立叶变换传输，设计了 40 通放大器，其光路如图 18（彩图见期刊电子版）所示，得到 30倍的小信号增益，光束质量因子 M2=1.1625。同年，该课题组进一步分析基于傅立叶变换1002中国光学（中英文）第16卷传输的多通放大器对于失准的稳定性26。多通放大器的失准有两方面原因：（1）入射光未对准；（2）碟片晶体前端空气受热对流带来的光学楔角。为减小空气楔角，NegelJP 等27提出使用垂直方向的后向反射镜（如图 19(a)）代替平面镜，从而降低光路高度，减小热空气导致的光学楔角带来的光路偏离；另一方面，与平面镜相比，后向反射镜可倒置角度和偏移（如图 19(b)，彩图见期刊电子版），从而被动补偿光路偏斜26。该课题组分析了傅立叶传输多通放大器、后向反射镜代替其中一个平面反射镜、加入主动校准装置（如图 20，彩图见期刊电子版）这 3 种情况的失准稳定性，结果如图 21（彩图见期刊电子版）所示，可见，傅立叶传输多通放大器具有一定的抗失准稳定性，加入垂直后向反射镜可将失准稳定性提升4 倍，加入主动稳定系统可将失准稳定性提升1 个量级26。图 21 中，对于具有主动稳定系统的放大器，反射镜 M2 已被替换为具有稍高透射率的反射镜，以从 Q1 和 Q2 生成稳健的误差信号。这会降低放大器的整体增益，但不会改变其倾斜依赖性。该作者表示，之前部分报道的文献 21,24,28-31 也属于光学傅立叶变换概念。02F2F+4f4F+4f4F+8f6F+8f6F+12f8F+12fzwin4f4f4fwwin0图17实际使用的光学傅立叶变换 8 通放大器的光束传播缩短了传输距离。（黑线代表碟片晶体光焦度为 0，红线和蓝线代表碟片晶体光焦度=1/(40f)对应的光束传播，f 为 4f 系统的焦距）24Fig.17Beam propagation of a practical optical Fouriertransform8-passamplifierthatshortensthetrans-missiondistance.(Theblacklinerepresentsthedi-opterofthethin-diskat0.Theredandbluelinesrepresent the diopter of the thin-disk=1/(40f),andfisthefocallengthofthe4fsystem)24(a)(b)(c)Thin disk4f-system45 mirrorPairM1/4plateMirrorarrayConvex mirrorM2Pulse inPulseoutThin filmpolarizerMirrorarrayEndmirror 1Endmirror 2Thindisk4f-stagePolarizingmirror图1820 通放大器的（a）俯视25、（b）立体光路图与（c）镜片阵列实物图25Fig.18(a)Topview25,(b)stereoopticalpathdiagrams,and(c)physicalviewofthelensarray25ofthe20-passamplifier(a)(b)图19（a）垂直后向反射镜实物图26，（b）垂直后向反射镜与平面反射镜的光路对比Fig.19(a)Physical drawing of the vertical retro-reflector26;(b)comparison of the optical pathbetweentheverticalretro-reflectorandtheplanereflectorM1aM1bQ2 Q1C2C1M2MinDisk图20配备主动稳定系统的傅立叶传输多通放大器26Fig.20Fouriertransmissionmulti-passamplifierwithanactivestabilizationsystem26第5期陈毅,等:大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述10034基于近准直光束传输的多通放大器基于 AntogniniA 等21的多通放大器方案，德国斯图加特大学 NegelJP 等展示了近准直光传输的 40 通放大器，其不同之处在于除碟片晶体外，放大器内的所有镜片均为平面镜，而碟片晶体的曲率半径很大，因此允许光束在系统内进行超过 20 次的近准直传播。其优势在于最大限度地减少非线性效应并防止高峰值功率下的光学器件损伤。使用该放大器，该作者直接放大脉宽 7ps、平均功率 50W、重频 800kHz 入射光，得到平均功率为264W 激光输出，光光转换效率为23.5%32。同年，该作者改进放大器的设计方案，使用 1/4波片与薄膜偏振片使激光反向放大，放大通数从40 通倍增至 80 通，光路如图 22 所示27。为尽量减少实验过程中空气湍流的影响，整个放大器周围有一个由丙烯酸玻璃制成的密封外壳，将装置与外部气流隔离。使用后向反射镜对代替平面镜，从而降低光路高度，减小热空气导致的光学楔角带来的光路偏离，最终得到平均功率为 1105W、脉宽为 7.3ps、