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数PW级光参量超短脉冲激光技术平台

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2017-07-14 访问数:

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超高峰值功率高能激光具有在极短的时间内快速沉积能量的特点,是目前最高能量密度加载的手段。随着激光技术的飞速发展,人们在激光物质相互作用的研究范畴已经超越原子物理,进入到极强场领域的相对论量子动力学、量子电动力学、核物理和高能粒子物理,反粒子产生等,同时基于此产生的高能粒子在次级超短超强辐射源产生等方面具有广阔的应用前景(见图1),支撑了国家安全、先进能源和重大科学前沿的研究。

数PW级光参量超短脉冲激光技术平台

激光聚变研究中心研制的数拍瓦级(PW, 1015 W)激光平台是目前世界上在建的最大规模的全光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术平台,该项目的研制,旨在突破和验证面向未来EW(1018 W)激光装置的总体和部分关键技术,实现数PW峰值激光输出,验证超高峰值功率激光总体发展思路,掌握核心技术,并牵引国内相关元器件的加工制造工艺发展,同时建立相应的物理实验能力,为强场物理提供国际先进的实验条件,项目技术指标为:中心波长为800 nm激光脉宽约为30 fs激光能量约为150 J激光功率约为5 PW聚焦功率密度为 >1×1021 W/cm2脉冲信噪比为>1×1010(50 ps)

在激光技术平台研制过程中,开发了全参数的OPCPA模拟程序,提升了总体设计能力;完成了高信噪比短脉冲光参量放大步技术研究,实现了超高对比度的种子光的高增益放大;开展高效宽带OPCPA放大技术研究,实现了最高34%的谐波转换效率;建立了基于光谱干涉等相位线法的高阶色散测试技术,实现了超大规模单频次运行下的超短脉冲激光系统色散的精确补偿,获得了19.6 fs的变换极限脉冲宽度。

1  PWOPCPA技术平台基本构成

PWOPCPA技术平台采用三级OPCPA放大器,把能量从800 nm飞秒锁模振荡器输出的nJ量级能量,放大到百焦耳量级输出,并在脉冲能量放大过程中,保证放大脉冲的光谱带宽、信噪比、光束质量等。前两级光参量放大器利用高非线性系数的BBO晶体作为增益介质,提供109倍以上增益。第三级光参量放大器同时追求高增益和大能量,利用大口径高损伤阈值的LBO晶体作为增益介质,提供103倍以上增益。系统增益设计见图2

数PW级光参量超短脉冲激光技术平台

基于三级OPCPA放大的技术路线,同时根据平台的研制目标、设计要求、功能要求,以及平台主要技术指标等,数PWOPCPA技术平台的系统基本构成与原理框图如图3所示,全系统主要包括七大系统:前端系统、预放系统、主放系统、压缩系统、终端系统、光束控制及参数测量、集中控制系统。

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    PWOPCPA技术平台的前端系统,主要功能是获得高信噪比的干净种子光脉冲输出,并为集中控制系统提供稳定的触发信号,干净种子光脉冲能量大于2 mJ,谱宽大于70 nm,脉宽小于10 ps;预放系统主要功能是展宽信号光脉宽,并进一步放大宽带信号光脉冲能量,放大信号光脉冲能量大于200 mJ,谱宽大于60 nm,脉宽大于2.5 ns,重复频率0.025 Hz;主放系统的主要功能是进一步放大宽带信号光脉冲能量,放大信号光脉冲能量大于250 J,谱宽大于50 nm,脉宽大于2 ns;而压缩系统的主要功能是将放大后的纳秒啁啾脉冲脉宽压缩至30 fs以下,脉冲能量压缩效率大于60%,获得约5 PW的脉冲峰值功率输出。技术平台还包括终端系统与参数测量系统,完成OPCPA技术平台的光束质量测量与优化,并实现光束聚焦,为激光开展物理实验研究提供条件;集中控制系统的主要功能是完成平台的同步组件集中控制管理。\

    众所周知,激光峰值功率是激光能量与脉冲宽度两个参数的比值,因此要想实现数PW级别的激光输出,一方面系统需要输出足够的能量,另一方面,压缩后的脉冲宽度越窄越有利于提升激光功率,本文将重点从能量放大和脉冲极限压缩两个方面介绍数PWOPCPA技术平台的相关技术。

2  高效宽带OPCPA放大技术

提升OPCPA的转换效率,是发展高能OPCPA系统的一个关键环节。光参量放大器,包括光参量晶体、信号光脉冲、泵浦光脉冲、以及闲频光脉冲;光参量放大器实现有效增益的前提条件是三波脉冲在光参量晶体中满足能量匹配和相位匹配;光参量放大器需要提供宽的有效光参量增益带宽,三波脉冲在光参量晶体中还要满足群速度匹配。对于光参量晶体中三波脉冲的能量匹配、相位匹配以及群速度匹配,转换为光参量放大器的参数要求,如图4所示,主要为三波脉冲在特定非共线角条件下满足相位匹配。

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OPCPA放大器具有增益中心带宽易调谐和极宽光谱带宽特性,OPCPA光参量放大器同时具有极高的增益和宽的增益带宽,并且增益越大,带宽越大,常规光参量晶体一般使用BBOLBO。如图5所示,OPCPA放大器的增益带宽与信号光和泵浦光的非共线角q 密切相关,假设非线性晶体长度均为10 mm时,泵浦光波长为527 nm,信号光波长在800 nm处,BBO晶体在非共线角为2.4°可以获得约120 nm的最大光参量增益带宽,LBO晶体在非共线角为1.2°可以获得约80 nm的最大光参量增益带宽。

稳定高效的OPCPA谐波转换技术,需要严格控制时域和空域的精准耦合以及晶体参数的合理配置,具体技术组成见图6,同时为了提升调试精度,项目组发展了光参量放大器倍频调试方法和光参量放大器光参量荧光调试方法,并完成了光参量放大器精密调试技术的实验研究。

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        PWOPCPA技术平台的前端系统采用BBO晶体作为参量放大晶体,800 nm飞秒振荡器输出的激光一路作为信号光,经材料色散展宽至8 ps,另一路耦合至光子晶体光纤,激发1 053 nm超连续谱作为泵浦激光光源,经后续展宽、放大、压缩和倍频,最终输出激光波长527 nm,能量20 mJ,脉冲宽度15 ps。两束皮秒激光在BBO晶体内实现近106的增益,同时利用增益开关效应保证了系统光源的高信噪比。第一级OPA实现了2 mJ的信号光输出,能量稳定性5.1%(rms)。实验结果如图7所示。

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PWOPCPA技术平台的预放系统仍采用BBO晶体作为参量放大晶体,在泵浦光脉冲宽度3 ns,泵浦能量约640 mJ条件下,信号光脉冲输出能量大于200 mJ,光谱大于带宽60 nm,光参量最大转换效率大于30%,能量稳定性约4%(rms)。信号光输出能量和光参量转换效率如图8所示。

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采用大口径LBO晶体作为主放级OPCPA参量晶体,基于高效单次调试技术,在泵浦光波长527 nm,激光能量204 J,脉冲宽度3 ns,口径72 mm的条件下,实现了66 J800 nm激光输出,最高转换效率达到32%,其输出能量曲线以及效率曲线见图9。无论从能量还是转换效率均达到世界相同技术路线下的最高水平。

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3  极限压缩技术

       超短脉冲的剩余色散完全决定了它的时域特性,一般来说,二阶色散影响脉冲宽度,三阶色散影响时间波形。然而,随着超短脉冲宽度达到30 fs以下,三阶色散对于脉冲宽度的影响变得显著。因此,对它的精确诊断和控制是获得极短脉宽的必要条件。  

       目前的超高峰值功率激光装置都采用啁啾脉冲放大技术,利用光栅压缩器对脉冲进行色散补偿;然而,已有的短脉冲测量技术中,自相关技术存在较大的测量误差,并且无法给出更详细的脉冲信息,如谱相位等;FROGSPIDER虽然能给出脉冲的谱相位信息,然而它们只能工作在接近傅里叶变换极限条件附近。因此大型短脉冲激光装置的压缩器调试一直是一个难题。

       针对装置脉冲宽度的极限压缩问题,项目组建立了一种直观表征超短脉冲色散特性的理论模型;在此基础上,发展了大型短脉冲装置的高阶色散的完整解决方案。利用该技术,实现了数PWOPCPA技术平台的极限压缩调试,获得了19.6 fs的近变换极限输出。

       基于等相位线的短脉冲色散诊断技术的基本方法为:采用飞秒振荡器输出脉冲作为参考脉冲,使之与压缩器输出脉冲同时产生空间干涉和光谱干涉,并用一台高精度成像光谱仪记录其干涉图像。根据等相位线的形状,可以直观地判断脉冲的剩余色散。光路示意图如图10所示。

                  数PW级光参量超短脉冲激光技术平台

利用该方法,通过参考光与压缩输出信号光的时空谱干涉信息,反演激光色散,完成了压缩器的光栅安装粗调以及后期的精细调整,其调整过程中的干涉谱变化情况见图11所示。

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        在色散完全消除的情况下,进行脉冲宽度测试,获得了19.6 fs的近变换极限脉冲宽度,测试结果见图12所示。

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