等離子體電極普克爾盒研究進展

張 君，熊 遷，吳振海，龍 蛟，趙軍普，鄭建剛，張雄軍，鄭奎興，魏曉峰

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)

0 引 言

大型高功率固體激光器是當今實驗室內創造高溫、高壓、高密度極端條件的重要途徑之一[1-2]。近年來，在慣性約束聚變(ICF)、高能量密度物理以及次級輻射源等研究的推動下，高功率固體激光技術走過了輝煌的發展歷程。納秒量級激光脈沖寬度、單發次脈沖運行模式的高功率激光器已實現每束萬焦耳級脈沖能量輸出，如美國勞倫斯利弗莫爾實驗室(LLNL)于2009年建成的國家點火裝置(national ignition facility, NIF)等[3-9]。短脈沖激光器已實現數拍瓦峰值功率的輸出，目前正邁向百拍瓦級峰值功率[10]。重復頻率激光器已實現千瓦級平均功率輸出，如英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室建成的DIPOLE100裝置等[11-15]。上述大型激光裝置通常由前端系統和放大系統組成。前端系統用來獲得高質量的種子脈沖，放大系統的主要作用是將前端系統輸出的種子脈沖能量從焦耳量級放大到數千甚至萬焦耳量級。

光開關是激光系統的關鍵器件，廣泛地用于激光振蕩器調Q、連續激光斬波、激光脈沖切片、激光脈沖選單、再生放大器內激光脈沖的注入鎖定和脈沖導出等。針對光束口徑較小的前端系統，傳統的機械光開關、磁光開關、聲光開關以及電光開關等能夠較好地滿足應用需求[16-19]。放大系統是大型高功率固體激光器的主體，為了提高提取效率、控制裝置造價、并追求緊湊的結構，放大系統通常采用激光脈沖多次通過增益介質的多程放大結構。在多程放大腔內，光開關用作激光脈沖放大程數控制、自激振蕩抑制以及反激光隔離，是支撐多程放大方案的核心器件[20]。該應用要求光開關通光口徑可定標到數厘米甚至數十厘米、響應時間需達到數十納秒量級、損傷閾值需在10 J/cm2以上，并要求消光比優于200∶1。截至目前，等離子體電極普克爾盒(plasma electrode Pockels cell, PEPC)是唯一能夠滿足新一代大型激光器需求的光開關技術。本文將介紹等離子體電極普克爾盒的基本原理、性能特點、研究現狀以及發展趨勢。

1 等離子體電極普克爾盒基本原理

普克爾盒是利用電光晶體的電光效應制成的光束偏振控制器件。常用電光晶體有磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(DKDP)、偏硼酸鋇(BBO)、鈮酸鋰(LN)、磷酸鈦氧鉀(KTP)等，物性參數如表1所示[21-22]。上述晶體在可見光波段至近紅外波段均有較好的透光性。其中，KTP晶體的線性吸收系數最小，約為0.01%/cm，損傷閾值可以達到1 GW/cm2，且電光系數較大，但KTP晶體為雙軸晶體存在自然雙折射，且晶體橫向尺寸為厘米量級[23-24]。雖然LN晶體可以生長至十厘米量級的尺寸，并且同樣具有較低的吸收系數和較大的電光系數，但其損傷閾值太低[25-26]。BBO具有較低吸收系數和較高的損傷閾值，但其電光系數太小，而且口徑只能做到數毫米，僅能用于緊湊的二極管泵浦激光器中[27]。KDP和DKDP晶體具有較高的損傷閾值、較大的電光系數、可接受的吸收系數，且近年來已發展了數十厘米口徑KDP類晶體的生長、加工、鍍膜技術[28-34]。綜上，目前只有KDP、DKDP晶體可滿足數十厘米口徑普克爾盒的需求。

表1 常用電光晶體的性能參數Table 1 Performance parameters of some electro-optical crystals

圖1 KDP晶體電光效應示意圖Fig.1 Schematic of the electro-optic effect of KDP crystal

相比于傳統的環電極普克爾盒，等離子體電極普克爾盒采用等離子體作為施加開關電壓脈沖的電極，縱向使用，可采用薄晶體并定標到大口徑，且具有損耗低、開關效率高和開關效率空間分布均勻的優點，因而在新一代高功率ICF激光驅動器中占有很重要的地位。如圖2所示，等離子體電極普克爾盒的基本結構為兩個氣體放電腔夾著一塊電光晶體組成的三明治結構。氣體放電腔內充有低氣壓的惰性氣體，惰性氣體電離后將形成充滿全口徑的、均勻的、高電導率、透明等離子體電極。這樣，開關電壓脈沖就可以通過電光晶體兩側形成的等離子體電極進行加載。若電光晶體所加電壓等于半波電壓，則透射光脈沖的偏振方向將旋轉90°。這樣，在偏振片的配合下，普克爾盒即可實現光脈沖傳播方向的控制，從而實現開關的功能。

圖2 PEPC結構示意圖Fig.2 Schematic of the PEPC

2 等離子體電極普克爾盒研究進展

等離子體電極普克爾盒的關鍵是等離子體電極的產生。較小的開關時間抖動要求氣體擊穿穩定，快的開關上升時間要求氣體放電形成的等離子體電極具有高的電導率，均勻的開關效率分布要求產生的等離子體充滿整個通光口徑并均勻分布。等離子體電極普克爾盒概念是由美國LLNL的Goldhar和Henesian等[35]于20世紀80年代提出的，發展至今，有兩種工作方式，分別是雙脈沖驅動工作模式以及單脈沖驅動工作模式。

2.1 雙脈沖驅動的PEPC

NIF裝置所使用的PEPC為雙脈沖驅動工作模式[36]。雙脈沖驅動的PEPC工作原理如圖3所示，其工作時有兩個過程，首先由大電流脈沖發生器驅動放電腔中的氣體放電形成高電導率等離子體，然后，開關電壓脈沖發生器產生的準矩形電壓脈沖通過等離子體電極加載于晶體兩側并對電光晶體充電至半波電壓。主放電脈沖與開關電壓脈沖加載時序如圖4所示。為了獲得穩定的氣體擊穿，在主放電脈沖之前需要預電離脈沖對工作氣體進行預電離。綜上，雙脈沖驅動工作模式需要兩臺預電離脈沖發生器、兩臺主放電脈沖發生器和一臺開關電壓脈沖發生器，共五臺脈沖發生器。

圖3 雙脈沖驅動的PEPC原理示意圖Fig.3 Schematic of the double-pulse driven PEPC

圖4 主放電脈沖與開關電壓脈沖波形[36]Fig.4 Main discharge pulse and the switch voltage pulse[36]

雙脈沖驅動的PEPC采用高純石墨作為放電電極材料。由于存在約十微秒的大電流放電過程，陽離子將轟擊陰極造成陰極濺射，濺射的碳原子沉積在光學元件上將導致光學元件的透過率和損傷閾值下降。為了控制陰極濺射，NIF裝置所使用的PEPC在工作氣體氦氣中加入了占比1%(體積分數)的氧氣，這樣濺射的碳原子將和氧氣反應生成一氧化碳和二氧化碳，并利用真空系統將廢氣排走。在解決一系列技術和工程問題后，1994年LLNL的Rhodes等[36]將PEPC的通光口徑定標到370 mm×370 mm，并將其成功應用于Beamlet裝置完成了工程實用性展示，如圖5所示。在此技術的支撐下，NIF總體技術方案采用了優化的多程放大技術，并于90年代末研制了4×1陣列化等離子體普克爾盒，目前48套4×1陣列結構等離子體電極普克爾盒成功運行在NIF建好的24個束組上用于四程放大光束控制[37]，如圖6所示。

圖5 370 mm口徑2×1組合式PEPC[36]Fig.5 2×1 array PEPC with 370 mm aperture[36]

圖6 400 mm口徑4×1組合式PEPC[37]Fig.6 4×1 array PEPC with 400 mm aperture[37]

中國工程物理研究院激光聚變研究中心于20世紀90年代中期開始等離子體電極普克爾盒研究，繼美國之后，于1996年研制成功80 mm×80 mm口徑雙脈沖驅動的PEPC，并成功進行了光開關性能實驗演示[38]。此后又進行了多項技術改進，于20世紀90年代末研制出雙脈沖驅動的240 mm×240 mm口徑陣列化PEPC。

2.2 單脈沖驅動的PEPC

2002年法國原子能委員會的Gardelle等報道了一種更為簡單的等離子體電極普克爾盒驅動模式，即單脈沖驅動工作模式[39]。單脈沖驅動的PEPC工作原理如圖7所示，單脈沖驅動的PEPC不需要預電離和主放電脈沖發生器，只需一臺開關電壓脈沖發生器即可完成對等離子體普克爾盒的驅動。其開關電壓脈沖波形如圖8所示，工作時，真空系統首先將兩放電腔中的氣壓調節到理想的工作點，然后開關電壓脈沖加載在氣體放電腔的電極上，高的電場強度將導致氣體擊穿，并通過雪崩過程使放電腔氣體電離形成覆蓋全口徑的等離子體，與此同時，開關電壓脈沖通過形成的等離子體電極給電光晶體充電至半波電壓。

圖7 單脈沖驅動的PEPC原理示意圖Fig.7 Schematic of the single-pulse driven PEPC

圖8 開關電壓脈沖波形[39]Fig.8 Switch voltage pulse[39]

單脈沖驅動的PEPC不需要預電離以及主放電脈沖發生器，減小了脈沖發生器之間同步控制難度，可靠性較好，沒有大電流放電過程，大幅降低了放電過程陰極濺射對光學元件的污染。另外，單脈沖驅動工作模式，最佳工作氣壓在數千帕，相比于雙脈沖驅動要求的最佳工作氣壓數帕，大幅度降低了對PEPC真空密封特性的要求。

鑒于上述優勢，單脈沖驅動的等離子體電極普克爾盒在大型高功率激光器中得到了廣泛應用。法國于2002年為兆焦耳激光裝置研制了400 mm口徑單脈沖驅動的PEPC，置于主放大器中用于靶點反激光的隔離。中國工程物理研究院激光聚變研究中心于2005年成功研制了80 mm口徑緊縮型單脈沖驅動的PEPC用于萬焦耳級激光裝置，如圖9所示。2011年前后，為神光Ⅱ升級裝置研制了4套360 mm口徑2×1陣列化單脈沖驅動的PEPC，如圖10所示，性能指標全部達到裝置需求，支撐了神光Ⅱ升級裝置的多程放大方案[40]。為了支撐UFL-2M激光裝置的建造，俄羅斯實驗物理研究院開展了單脈沖驅動的PEPC研制與性能驗證，并于2011年成功研制了100 mm口徑單脈沖驅動的PEPC[41-42]。

圖9 單脈沖驅動的80 mm口徑緊縮型PEPCFig.9 Single-pulse driven compact PEPC with 80 mm aperture

圖10 360 mm口徑2×1組合式PEPC[40]Fig.10 2×1 array PEPC with 360 mm aperture[40]

2.3 單脈沖驅動的低損耗PEPC

通常情況下激光脈沖需多次通過PEPC，因此降低其插入損耗意義重大。降低PEPC插入損耗的直接好處是輸出激光脈沖能量的提升，相反，在同等輸出能量的條件下，可降低對前端種子脈沖能量的要求或降低對增益介質增益能力的要求。從裝置“功率受限”角度講，大幅降低開關的插入損耗，在輸出同等能量的前提下，可降低增益介質的等效厚度，從而降低B積分提升裝置運行的安全性。在1 μm波長附近，98%含氘量的DKDP晶體的吸收系數為0.2%/cm，而 KDP晶體的吸收系數約為5%/cm，因此使用DKDP作為電光晶體可以大幅降低PEPC的插入損耗。單脈沖驅動的PEPC依靠的是開關電壓脈沖高電壓引起的工作氣體場致擊穿形成等離子體電極，因此使用的是具有較高半波電壓(約17 kV)的KDP晶體。而DKDP晶體的理論半波電壓約為6.8 kV，在該電壓下PEPC工作氣體不能穩定擊穿形成所需等離子體電極。

為了在較低半波電壓下實現DKDP晶體PEPC的單脈沖驅動，中國工程物理研究院激光聚變研究中心于2009年提出了可變電容分壓技術[43-44]。圖11為可變電容分壓單脈沖驅動的DKDP等離子體電極普克爾盒原理簡圖，圖12為其等效電路圖。PEPC等效為一個非線性電容CPC，C0為串連的分壓電容，Z為傳輸線阻抗，終端匹配電阻R與傳輸線阻抗一致。在氣體擊穿前，普克爾盒等效電容CPC很小，開關脈沖發生器輸出的電壓基本加在普克爾盒上，高的電場強度導致氣體擊穿形成等離子體電極，氣體擊穿后，普克爾盒等效為一平板電容，CPC大幅增大，普克爾盒上的分壓降低。這樣，通過調節電容C0以及開關電壓脈沖發生器輸出電壓Vswitch，即可改變等離子體電極普克爾盒的工作點，以實現在一個脈沖過程中，通過較高的脈沖電壓獲得穩定的氣體擊穿，而在氣體擊穿后，普克爾盒可穩定工作在DKDP的半波電壓點上。

圖11 單脈沖驅動的DKDP晶體PEPCFig.11 Schematic of single-pulse driven PEPC with DKDP crystal

圖12 單脈沖驅動的DKDP晶體PEPC等效電路圖[43]Fig.12 Equivalent circuit of single-pulse driven PEPC with DKDP crystal[43]

單脈沖驅動的低損耗等離子體電極普克爾盒，大幅降低了普克爾盒的插入損耗，開關特性優良，為高效率激光器研制提供了有力的技術支撐，也為重復頻率運轉的PEPC研制奠定了堅實的技術基礎。

2.4 重頻運轉的PEPC

針對重復頻率運轉的高功率激光器應用需求，普克爾盒除了需要滿足通光口徑、損傷閾值、響應時間要求外，還需重復頻率運轉，并可承受數十W/cm2的激光平均功率密度。環電極普克爾盒所使用的厚晶體將導致高的吸收損耗和熱效應，不適用于高平均功率應用[45-46]。橫向激勵的普克爾盒半波電壓與通光口徑成正比、與晶體厚度成反比，大口徑應用以及熱學上要求的薄晶體將導致非常高的半波電壓，大幅增加了重復頻率快響應開關電壓脈沖發生器的研制難度[47]。美國LLNL為Mercury裝置研制了3 cm×5 cm通光口徑橫向應用的普克爾盒[48]，如圖13所示。為了控制熱效應，其采用高速He氣冷卻，并使用兩塊相同的晶體補償自然雙折射，如圖14所示。該普克爾盒可承受約25 W/cm2的平均功率密度，工作電壓約為30 kV。LLNL實驗室Bayramian等在LIFE概念設計中提出了薄膜電極光開關概念[13]，縱向應用，采用透明的ITO導電膜作為電極，高速He氣橫向冷卻，其縱向應用可定標到大口徑，但是，ITO導電膜激光損傷閾值約為1 J/cm2，限制了系統激光通量設計點，同時ITO膜對激光具有較大的吸收損耗，且高速He氣冷卻系統復雜。PEPC損傷閾值高，縱向應用時半波電壓與口徑大小和晶體厚度無關，在定標到大口徑的同時可采用薄的電光晶體以減小熱效應。但是，晶體處于兩個低氣壓的放電腔之間，與外部基本沒有熱交換。高功率重頻應用下，晶體吸收激光產生熱沉積將導致熱退偏、熱畸變、減反膜層龜裂，甚至晶體碎裂等不良熱效應，因此其只能單次運轉[49]。

圖13 橫向激勵的普克爾盒實物圖[48]Fig.13 A photograph of transversely excited Pockels cell[48]

圖14 橫向激勵的普克爾盒原理圖[48]Fig.14 A schematic of transversely excited Pockels cell[48]

針對重頻運轉條件下熱效應問題，中國工程物理研究院激光聚變研究中心提出了反射式混合電極普克爾盒概念[50]。其基本結構為一氣體放電腔和一塊硅基高反鏡夾著一塊電光晶體組成的三明治結構，如圖15所示。硅鏡迎光面鍍激光高反膜層，背側鍍金膜，兼具反射鏡、熱沉、背側電極三方面功能。電光晶體選擇高氘的DKDP以減少對主激光吸收生熱，縱向電光效應應用。反射式設計中，DKDP晶體的一個面用作冷卻面，高熱導率的硅鏡可縱向傳導冷卻DKDP晶體，TEC通過熱電阻提供的負反饋實現硅鏡的精確溫控，該冷卻方式具有換熱面積大、晶體內熱量傳遞路徑短、橫向溫度梯度小、冷卻結構簡單等高效冷卻的特點。開關電壓脈沖通過放電腔內氣體輝光放電形成的等離子體和硅鏡背側金膜加載，采用這樣一對混合電極，大口徑下DKDP晶體內仍可實現均勻的電場分布，從而保證通光口徑內開關性能的一致性。激光傳輸路徑上只有光學元件和等離子體，損傷閾值取決于光學元件本身，因此可高通量運轉。

圖15 反射式混合電極普克爾盒結構示意圖Fig.15 A schematic cut of the reflective hybrid-electrode Pockels cell

中國工程物理研究物院激光聚變研究中心于2017年研制了30 mm口徑10 Hz反射式混合電極普克爾盒[51]，如圖16所示。圖17給出了激光平均功率密度35 W/cm2下實驗結果，晶體內最大溫升為3.6 K，熱退偏約為0.95%，對應的消光比為104∶1。反射式混合電極普克爾盒口徑可定標放大、可高通量重頻運轉、可承受高的平均功率密度、通光口徑范圍內光學性能一致性好、驅動電壓低響應時間快，為緊湊、高效、經濟的重頻高功率激光器的發展奠定了堅實的技術基礎。

圖16 混合電極普克爾盒[51]Fig.16 A photograph of the hybrid-electrode Pockels cell[51]

圖17 熱效應隨加熱時間變化[51]Fig.17 Dependence of the thermo-effects on the heating time[51]

3 結語與展望

等離子體電極普克爾盒縱向應用，采用透明、高電導率的等離子體作為電極施加開關電壓脈沖，可采用薄晶體并定標到大口徑，且全口徑內光學性能分布均勻。PEPC具有插入損耗低、開關效率高、消光比高以及損傷閾值高等特點，較好地滿足了緊湊、高效、高性價比大型高功率激光器的研制需求。等離子體電極普克爾盒由發明之初的雙脈沖驅動工作模式發展到單脈沖驅動工作模式，從單發次運轉發展到重復頻率運轉，在大幅提升性能的同時也在拓展其應用場景。

伴隨著高功率激光技術的飛速發展，關鍵器件電光開關技術面臨著更大的挑戰，如高重復頻率運轉、高平均功率激光承受能力以及高速響應等。在相當長一段時期內，低電壓驅動、熱效應控制以及高重頻率脈沖發生器技術探索仍然是電光開關研究的重要課題。從材料發展角度出發，探索高電光系數、高激光損傷閾值、高消光比以及優良熱性能的電光晶體材料仍然是發展非線性晶體材料的重要方向之一。