《Laser Focus World》2009年3月发表美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）Chris Ebbers等人的文章，介绍高功率固体激光装置——Mercury激光装置以及进展。Mercury激光装置由二极管泵浦，脉冲能量100J，重复频率为10Hz。Mercury激光装置研制将推进高重复率惯性激光聚变不断向前发展。
建造在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（National Ignition Facility, NIF）将验证“得失相当”，也就是产生的聚变能输出等于输入的激光能量。国家点火装置将输出光束压缩氢同位素构成的球形靶丸，使其发生聚变，释放大量能量。得失相当的获得凝聚了过去几十年来全世界众多科学家和工程人员的努力。
但是获得得失相当以后该做什么呢？国家点火装置适合工程研究，而激光聚变则要产生电能供人使用。而要实现这一目的，激光器必须有较高的频率，每秒大约要发射十发，而国家点火装置一天才能打几次靶，激光器的频率需要提高100000倍才能达到要求。
表1 Mercury激光装置与国家点火装置
Mercury激光装置的研制目的就是发展每秒十发、电激发的驱动激光器，用于商业激光聚变。Mercury激光装置输出脉冲的峰值功率仅为国家点火装置的1/30000，但具有更高的平均功率。
Mercury激光装置与国家点火装置之间存在着许多不同之处，其中之一是国家点火装置利用氙灯泵浦，而Mercury激光装置由高效率的激光二极管泵浦。Mercury激光装置是一个原型装置，口径和能量与国家点火装置一路束线参数按比例缩小，既具有更高的电效率，同时又能够以高重复率运行的大型装置。国家点火装置的目标是获得聚变得失相当，Mercury激光装置的主要目的是验证二极管抽运的固体激光器成为惯性聚变能电厂驱动装置的可行性。二极管泵浦减小了热量在Mercury激光装置中的沉积，而气体冷却也将剩余的热量有效地去除。
系统设计
Mercury激光系统是高平均功率激光器项目重点研究的两种聚变驱动装置之一。Mercury激光系统采用角多路传输结构，如图1所示，包括一个前端激光器和两个气体冷却放大器。放大器利用高速氦气冷却，减小放大器的光学畸变，确保10Hz的高重复能力；每个放大器包括4组峰值功率为100kW的二极管阵列，从两侧抽运气体冷却放大器头中7块Yb:S-FAP晶体片（4cm×6cm），确保Mercury激光系统的高能量效率；采用离轴四程放大结构，避免使用大口径高功率光开关；利用泡克耳斯盒抑制寄生振荡；两放大器间的中继成像（Relay Imaging）降低了放大介质因激光强度调制过大而损坏的危险，确保了放大器的可靠性。
图1 Mercury激光装置的结构图
Mercury激光装置由光纤激光器提供种子脉冲，经前置放大器后，种子脉冲能量达到0.5J。预放大后的脉冲依次经过两个放大器，由反射镜反射回来后，再次经过两放大器获得最佳的能量输出。脉冲被放大至最大能量后，输入频率转换器。到今天为止，Mercury激光装置已经输出能量大于50J的发射已经超过300000次，重复频率保持在10Hz的水平。完全研制成功后，Mercury激光装置将保持相同的重复频率，输出能量达到100J脉冲。
增益介质
Mercury激光装置选用了Yb:S-FAP晶体作为其首选的增益材料，其选择原则主要考虑了晶体量子数亏损（quantum defect）、上能级寿命和发射截面等三方面的性能。晶体的这些性能决定着Mercury激光装置效率、成本和使用寿命等重要因素。Yb掺杂物吸收近900nm的二极管泵浦光而发射近1047nm的激光，表明Yb:S-FAP晶体的量子数亏损为15%，也就是说，15%的泵浦能量必须作为无用的热量去除掉。上能级的寿命长短很重要，它直接关系到为得到激光器输出一定能量所需的二极管激光泵浦能量数。为了实现100J的能量输出，Mercury激光装置必须泵浦至少115J使放大器的粒子数反转。Yb:S-FAP晶体的上能级寿命为1.1ms，意味著泵浦光的功率需要超过100kW。如果改用磷酸盐钕玻璃的话，其360 μs 的上能级寿命使得二极管的泵浦功率要超过300kW。另外，经过过去几十年的研究，Nd玻璃激光器相对要成熟多，而Yb:S-FAP晶体在很多方面与钕玻璃的性能相似。
自动控制
与国家点火装置相同，Mercury激光装置也采取远程校直和诊断。关键的光学元件一直处于监控中。如果高重复系统的一次发射过程发生光学损伤，不可能在下一发射引起进一步的破坏前人工关闭系统。因此，需要一套系统对发射数据进行收集和整理，并且能够在必要时安全关闭系统，并更换相应的光学元件，避免更多的光学元件被破坏。自动系统会对正在进行的激光发射与以前发射的数据相比较，任何比较大的不同都会被标记出来，并在下一发射前安全关闭系统。
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