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、超強(qiáng)磁場和超快時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)提升的同時也會導(dǎo)致這些噪聲的提升，當(dāng)噪聲光強(qiáng)超過1011W/cm2時，所產(chǎn)生的預(yù)電離等效應(yīng)會嚴(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，即時間對比度，是超快超強(qiáng)激光脈沖需要重點(diǎn)關(guān)注的研究內(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間對比度提升的研究。早在2010年他們提出過非共線飛秒光參量放大產(chǎn)生高對比度種子脈沖的方法，將對比度提升到了10?11量級【Opt. Lett. 35, 3096(2010)】，并應(yīng)用于飛秒超強(qiáng)激光系統(tǒng)中，研制成功對比度達(dá)10?1?量級、峰值功率達(dá)1.16PW的飛秒超強(qiáng)激光，不僅有效解決了對比度的問題，還創(chuàng)造了該類研究當(dāng)時的最高峰值功率【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聯(lián)兩個二階非線性過程并配合光譜濾波提升飛秒放大激光對比度的新方案，利用極為簡單的結(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:長通濾波片其原理方案如圖1所示，由前級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)生波長更長的閑頻光；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、主脈沖對比度高達(dá)10?11的輸出結(jié)果，且在14小時內(nèi)的平均功率抖動RMS低至0.076%。該工作通過級聯(lián)兩個二階非線性過程，在較低的入射光強(qiáng)下得到了等效于三階非線性效應(yīng)的對比度提升效果，無需真空系統(tǒng)，且兩個過程發(fā)生在同一塊晶體中，也無需延時控制，因此可以在空氣中直接產(chǎn)生數(shù)百微焦的高穩(wěn)定高對比度飛秒脈沖，大大簡化了對比度提升單元的結(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)生的高對比度飛秒激光脈沖的參數(shù)：(a) 各個位置處的光譜；(b) 入射脈沖與輸出脈沖的時間對比度；(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)在飛秒激光時間對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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