隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，目前人們已經(jīng)能夠在數(shù)十飛秒的光脈沖中產(chǎn)生高達(dá)10PW的峰值功率，聚焦光強(qiáng)超過了1023W/cm2。這樣的光場(chǎng)能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出具備超高能量密度、超高溫度、超強(qiáng)光電場(chǎng)、超強(qiáng)磁場(chǎng)和超快時(shí)間尺度的綜合性極端物理?xiàng)l件，在激光加速、激光聚變、等離子體物理、材料科學(xué)、阿秒科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而對(duì)于具有預(yù)脈沖與自發(fā)輻射基底的飛秒脈沖而言，光強(qiáng)提升的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致這些噪聲的提升，當(dāng)噪聲光強(qiáng)超過1011W/cm2時(shí)，所產(chǎn)生的預(yù)電離等效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響主脈沖與物質(zhì)相互作用的效果，因此提升主脈沖與噪聲強(qiáng)度的比值，即時(shí)間對(duì)比度，是超快超強(qiáng)激光脈沖需要重點(diǎn)關(guān)注的研究?jī)?nèi)容之一。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心魏志義研究團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于飛秒脈沖激光放大及時(shí)間對(duì)比度提升的研究。早在2010年他們提出過非共線飛秒光參量放大產(chǎn)生高對(duì)比度種子脈沖的方法，將對(duì)比度提升到了10?11量級(jí)【Opt. Lett. 35, 3096(2010)】，并應(yīng)用于飛秒超強(qiáng)激光系統(tǒng)中，研制成功對(duì)比度達(dá)10?1?量級(jí)、峰值功率達(dá)1.16PW的飛秒超強(qiáng)激光，不僅有效解決了對(duì)比度的問題，還創(chuàng)造了該類研究當(dāng)時(shí)的最高峰值功率【Opt. Lett. 36, 3194(2011)】。在國家“十二五”重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的支持下，近年來該研究組承擔(dān)了北京懷柔“綜合極端條件用戶裝置”中超快光場(chǎng)系統(tǒng)的部分工作。在飛秒激光超快實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)（XD1）的研究建設(shè)任務(wù)中，該組博士后王羨之通過與子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人王兆華副研究員、合作導(dǎo)師魏志義研究員的密切合作，提出了通過在單塊非線性晶體中級(jí)聯(lián)兩個(gè)二階非線性過程并配合光譜濾波提升飛秒放大激光對(duì)比度的新方案，利用極為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生了脈沖能量數(shù)百微焦耳的高穩(wěn)定高對(duì)比度飛秒激光脈沖。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。SPF:短通濾波片。LPF:長(zhǎng)通濾波片其原理方案如圖1所示，由前級(jí)飛秒激光放大器輸出的光脈沖經(jīng)過第一塊濾波片光譜整形之后入射到BBO非線性晶體中先產(chǎn)生二倍頻，之后倍頻光與基頻光的短波部分進(jìn)行差頻產(chǎn)生波長(zhǎng)更長(zhǎng)的閑頻光；新產(chǎn)生的閑頻光被第二塊濾波片選出。在3mJ入射能量下，得到了單脈沖能量570μJ、主脈沖對(duì)比度高達(dá)10?11的輸出結(jié)果，且在14小時(shí)內(nèi)的平均功率抖動(dòng)RMS低至0.076%。該工作通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)二階非線性過程，在較低的入射光強(qiáng)下得到了等效于三階非線性效應(yīng)的對(duì)比度提升效果，無需真空系統(tǒng)，且兩個(gè)過程發(fā)生在同一塊晶體中，也無需延時(shí)控制，因此可以在空氣中直接產(chǎn)生數(shù)百微焦的高穩(wěn)定高對(duì)比度飛秒脈沖，大大簡(jiǎn)化了對(duì)比度提升單元的結(jié)構(gòu)，在飛秒超強(qiáng)激光裝置研究中具有極大的應(yīng)用潛力。圖2. 產(chǎn)生的高對(duì)比度飛秒激光脈沖的參數(shù)：(a) 各個(gè)位置處的光譜；(b) 入射脈沖與輸出脈沖的時(shí)間對(duì)比度；(c)輸出脈沖寬度；(d) 輸出脈沖的功率穩(wěn)定性以及近遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布相關(guān)結(jié)果發(fā)表于最近的Optics Letters【Vol. 47, No. 19, pp. 4981-4984 (2022)】上。這也是該團(tuán)隊(duì)在飛秒激光時(shí)間對(duì)比度提升方面最新獲得的創(chuàng)新成果，并為懷柔綜合極端條件用戶裝置中飛秒激光超快實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)的建設(shè)提供了重要支撐。前序成果包括Chin. Phys. Lett, 31, 014207(2014)、Chin. Phys. Lett, 34, 024205(2017)、Chin. Phys. Lett, 38, 074202(2021)等。這項(xiàng)工作也得到了中科院先導(dǎo)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金的支持。
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