提高激光裝置安全性，為超短激光保駕護(hù)航
超短激光一般指峰值功率大于1 TW(1 TW = 1012 W)，脈沖寬度小于100 fs (10-15 s)的激光，它的出現(xiàn)為人類提供了物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。例如，2016年，中科院上海光機(jī)所在國內(nèi)1次成功利用超短激光產(chǎn)生了正電子。
光參量啁啾脈沖放大技術(shù)(OPCPA)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)超短脈沖放大的重要途徑，目前國內(nèi)外在建的拍瓦級飛秒超短脈沖激光裝置多采用全系統(tǒng)OPCPA技術(shù)路線。其中，用于啁啾脈沖壓縮的大口徑光柵是決定裝置光機(jī)元件負(fù)載能力的關(guān)鍵，若光柵局部輻照能流密度太大，則極易造成區(qū)域損傷，可能引發(fā)后續(xù)光學(xué)元件的膜層損傷。所以，全口徑光束均勻性制約了超短脈沖全系統(tǒng)的整體輸出能力，對裝置運(yùn)行安全性非常重要。
中國科學(xué)院上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室謝興龍研究員課題組從全系統(tǒng)綜合輸出性能優(yōu)化角度，著重定量分析大能量OPCPA近場分布均勻性的演化，為SGII-5PW激光裝置進(jìn)一步提升運(yùn)行安全性提供優(yōu)化依據(jù)，具體研究成果發(fā)表在中國激光第八期。
圖1所示為SGII-5PW激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，全放大鏈路由三級OPCPA組成。OPCPA-I為高增益前端預(yù)放，輸出單脈沖能量為80 mJ，半高全寬光譜寬度60 nm，對應(yīng)的脈寬為1.5 ns。OPCPA-II單元以SG-II裝置第7路的倍頻光作為抽運(yùn)光源，實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大輸出能量40 J，壓縮脈沖30 J/ 27 fs，峰值功率1 PW。末級OPCPA-III單元將以第9路的倍頻光作為抽運(yùn)光源，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大輸出250 J，壓縮實(shí)現(xiàn)優(yōu)于150 J / 30 fs，峰值功率達(dá)到5 PW。
圖1 SGII-5PW激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
分析兩種情況下OPCPA輸出均勻性的對比(如圖2)，結(jié)合放大過程其他參數(shù)，可以得到兩個(gè)結(jié)論：
一，在參量放大器結(jié)構(gòu)確定的情況下，當(dāng)前非線性晶體長度19mm，可以同時(shí)獲得較高的轉(zhuǎn)換效率、較小的波前相位畸變、優(yōu)化的近場分布均勻性以及較高的輸出穩(wěn)定性;
二，抽運(yùn)光近場分布對參量放大輸出有著更大影響，進(jìn)一步提升神光II第7路光束質(zhì)量，可以大幅度提升OPCPA-II輸出均勻性，對SGII-5PW系統(tǒng)運(yùn)行安全性極為重要。
圖2 理想時(shí)空超高斯抽運(yùn)光與實(shí)際信號光作用(a)以及理想時(shí)空超高斯信號光與實(shí)際抽運(yùn)光作用(b)情況下，OPCPA-II放大輸出信號FF(實(shí)線)與FBC(虛線)隨晶體長度的變化。
研究人員表示后續(xù)將以拍瓦裝置的OPCPA-III單元第9路的倍頻光作為抽運(yùn)光源，實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大輸出250J，壓縮實(shí)現(xiàn)優(yōu)于150J/30fs，峰值功率達(dá)到5PW的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
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