Архитектура многопроходного усилителя для лазерных систем большой мощности

Иллюстрации

Показать все

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.

Реферат

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 уменьшен