撰稿：楊思達(dá)，甘澤彪

超強(qiáng)超短激光具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)今國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)重大前沿領(lǐng)域之一。啁啾脈沖放大（CPA）和光學(xué)參量啁啾脈沖放大（OPCPA）是目前獲得超強(qiáng)超短激光脈沖的兩大技術(shù)途徑，其中CPA技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出穩(wěn)定可靠、對(duì)泵浦源要求較低等優(yōu)點(diǎn)，是研制數(shù)拍瓦甚至10PW激光用戶的首選方案。上海光機(jī)所承建的“上海超強(qiáng)超短激光裝置”（SULF）采用CPA技術(shù)路線，結(jié)合了高對(duì)比度預(yù)放大前端與終端大口徑鈦寶石啁啾脈沖放大器，在2017年底率先實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首例峰值功率為10PW量級(jí)的激光脈沖輸出。

在SULF 10PW激光原型裝置中采用大口徑釹玻璃片狀放大器泵浦終端鈦寶石晶體，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中終端鈦寶石放大器的泵浦-信號(hào)轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低只有約32%。泵浦源系統(tǒng)兩小時(shí)一發(fā)的重復(fù)頻率導(dǎo)致整個(gè)激光系統(tǒng)性能難以進(jìn)行有效優(yōu)化，同時(shí)也影響了該系統(tǒng)用于服務(wù)物理實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行效率。因此，上海光機(jī)所在SULF 10PW激光用戶裝置系統(tǒng)中采用了時(shí)域多脈沖泵浦的技術(shù)方案解決上述兩個(gè)問(wèn)題。

時(shí)域多脈沖泵浦方案將原單路高能量的泵浦脈沖替換為多臺(tái)百焦耳重復(fù)頻率釹玻璃激光器輸出的泵浦小脈沖，以此達(dá)到主動(dòng)控制鈦寶石多通放大器每一程中橫向增益的目的。每臺(tái)百焦耳重復(fù)頻率釹玻璃激光器由兩個(gè)放大鏈路組成，每路放大鏈由兩級(jí)Φ10mm口徑棒狀Nd:YLF放大器、兩級(jí)Φ25mm口徑釹玻璃棒狀放大器以及兩級(jí)Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器組成。種子源為輸出波長(zhǎng)1053nm、單脈沖能量3mJ、脈沖寬度16ns、頻率1Hz的種子光，經(jīng)過(guò)多次像傳遞擴(kuò)束及能量放大，最終單路放大器鏈輸出的基頻光單脈沖能量約為80J，兩路基頻光偏振合束后通過(guò)二類(lèi)LBO倍頻器最終輸出能量約為100J的倍頻光，釹玻璃激光器結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖1 百焦耳重復(fù)頻率釹玻璃激光器三維結(jié)構(gòu)圖

泵浦源系統(tǒng)的能量穩(wěn)定性對(duì)于超強(qiáng)超短激光裝置至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)針對(duì)激光器在不同重復(fù)頻率條件下工作所產(chǎn)生的熱致波前畸變進(jìn)行測(cè)量，以此確定能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作的重復(fù)頻率。熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用波前探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，用其測(cè)量出的PtV和RMS值可反映出光束質(zhì)量受熱效應(yīng)影響的大小。
熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)分別在一分鐘一發(fā)、兩分鐘一發(fā)以及三分鐘一發(fā)的重復(fù)頻率下對(duì)釹玻璃激光器進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一分鐘一發(fā)的重復(fù)頻率下PtV和RMS值隨著工作時(shí)間增加不斷提升，且在工作僅數(shù)發(fā)之后光斑出現(xiàn)了劣化，之后在兩分鐘一發(fā)的重復(fù)頻率下PtV和RMS值在工作約20分鐘后趨于穩(wěn)定，但在工作約40分鐘后出現(xiàn)光斑劣化。最終在三分鐘一發(fā)的重復(fù)頻率下釹玻璃激光器可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，PtV和RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖所示，激光器輸出的倍頻光脈沖能量穩(wěn)定，光斑均勻呈近平頂分布，可用于安全地泵浦主放大光路中的大口徑鈦寶石晶體。

圖2 PtV和RMS值統(tǒng)計(jì)

目前泵浦源系統(tǒng)能夠安全地運(yùn)轉(zhuǎn)于三分鐘一發(fā)的條件下，未來(lái)為了進(jìn)一步提升百焦耳泵浦激光器的重復(fù)頻率，將會(huì)針對(duì)Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器的水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最終將會(huì)使得重復(fù)頻率提升至一分鐘一發(fā)。

論文鏈接：http://www.opticsjournal.net/Articles/abstract?aid=OJc47f15c637b70f25