《Laser Focus World》2009年3月發表美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）Chris Ebbers等人的文章，介紹高功率固體激光裝置——Mercury激光裝置以及進展。Mercury激光裝置由二極管泵浦，脈沖能量100J，重復頻率為10Hz。Mercury激光裝置研制將推進高重復率慣性激光聚變不斷向前發展。
建造在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（National Ignition Facility, NIF）將驗證“得失相當”，也就是產生的聚變能輸出等于輸入的激光能量。國家點火裝置將輸出光束壓縮氫同位素構成的球形靶丸，使其發生聚變，釋放大量能量。得失相當的獲得凝聚了過去幾十年來全世界眾多科學家和工程人員的努力。
但是獲得得失相當以后該做什么呢？國家點火裝置適合工程研究，而激光聚變則要產生電能供人使用。而要實現這一目的，激光器必須有較高的頻率，每秒大約要發射十發，而國家點火裝置一天才能打幾次靶，激光器的頻率需要提高100000倍才能達到要求。
表1 Mercury激光裝置與國家點火裝置
Mercury激光裝置的研制目的就是發展每秒十發、電激發的驅動激光器，用于商業激光聚變。Mercury激光裝置輸出脈沖的峰值功率僅為國家點火裝置的1/30000，但具有更高的平均功率。
Mercury激光裝置與國家點火裝置之間存在著許多不同之處，其中之一是國家點火裝置利用氙燈泵浦，而Mercury激光裝置由高效率的激光二極管泵浦。Mercury激光裝置是一個原型裝置，口徑和能量與國家點火裝置一路束線參數按比例縮小，既具有更高的電效率，同時又能夠以高重復率運行的大型裝置。國家點火裝置的目標是獲得聚變得失相當，Mercury激光裝置的主要目的是驗證二極管抽運的固體激光器成為慣性聚變能電廠驅動裝置的可行性。二極管泵浦減小了熱量在Mercury激光裝置中的沉積，而氣體冷卻也將剩余的熱量有效地去除。
系統設計
Mercury激光系統是高平均功率激光器項目重點研究的兩種聚變驅動裝置之一。Mercury激光系統采用角多路傳輸結構，如圖1所示，包括一個前端激光器和兩個氣體冷卻放大器。放大器利用高速氦氣冷卻，減小放大器的光學畸變，確保10Hz的高重復能力；每個放大器包括4組峰值功率為100kW的二極管陣列，從兩側抽運氣體冷卻放大器頭中7塊Yb:S-FAP晶體片（4cm×6cm），確保Mercury激光系統的高能量效率；采用離軸四程放大結構，避免使用大口徑高功率光開關；利用泡克耳斯盒抑制寄生振蕩；兩放大器間的中繼成像（Relay Imaging）降低了放大介質因激光強度調制過大而損壞的危險，確保了放大器的可靠性。
圖1 Mercury激光裝置的結構圖
Mercury激光裝置由光纖激光器提供種子脈沖，經前置放大器后，種子脈沖能量達到0.5J。預放大后的脈沖依次經過兩個放大器，由反射鏡反射回來后，再次經過兩放大器獲得最佳的能量輸出。脈沖被放大至最大能量后，輸入頻率轉換器。到今天為止，Mercury激光裝置已經輸出能量大于50J的發射已經超過300000次，重復頻率保持在10Hz的水平。完全研制成功后，Mercury激光裝置將保持相同的重復頻率，輸出能量達到100J脈沖。
增益介質
Mercury激光裝置選用了Yb:S-FAP晶體作為其首選的增益材料，其選擇原則主要考慮了晶體量子數虧損（quantum defect）、上能級壽命和發射截面等三方面的性能。晶體的這些性能決定著Mercury激光裝置效率、成本和使用壽命等重要因素。Yb摻雜物吸收近900nm的二極管泵浦光而發射近1047nm的激光，表明Yb:S-FAP晶體的量子數虧損為15%，也就是說，15%的泵浦能量必須作為無用的熱量去除掉。上能級的壽命長短很重要，它直接關系到為得到激光器輸出一定能量所需的二極管激光泵浦能量數。為了實現100J的能量輸出，Mercury激光裝置必須泵浦至少115J使放大器的粒子數反轉。Yb:S-FAP晶體的上能級壽命為1.1ms，意味著泵浦光的功率需要超過100kW。如果改用磷酸鹽釹玻璃的話，其360 μs 的上能級壽命使得二極管的泵浦功率要超過300kW。另外，經過過去幾十年的研究，Nd玻璃激光器相對要成熟多，而Yb:S-FAP晶體在很多方面與釹玻璃的性能相似。
自動控制
與國家點火裝置相同，Mercury激光裝置也采取遠程校直和診斷。關鍵的光學元件一直處于監控中。如果高重復系統的一次發射過程發生光學損傷，不可能在下一發射引起進一步的破壞前人工關閉系統。因此，需要一套系統對發射數據進行收集和整理，并且能夠在必要時安全關閉系統，并更換相應的光學元件，避免更多的光學元件被破壞。自動系統會對正在進行的激光發射與以前發射的數據相比較，任何比較大的不同都會被標記出來，并在下一發射前安全關閉系統。
