100 TW级超短超强钛宝石激光装置

第17卷第11期强激光与粒子束V o l.17,N o.11 2005年11月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S N o v.,2005

文章编号:1001-4322(2005)11-1685-04

100T W级超短超强钛宝石激光装置*

黄小军1,2,彭翰生1,魏晓峰1,王晓东1,曾小明1,周凯南1,郭仪1,刘兰琴1,王逍1,朱启华1,林东晖1,唐晓东1,张小民1,楚晓亮3,王清月2

(1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;

2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072;

3.四川大学电子信息学院,四川成都610064)

摘要:介绍了基于啁啾脉冲放大(C P A)技术的100TW级钛宝石激光装置S I L E X-I。S I L E X-I装置主要包括飞秒振荡器、O f f n e r展宽器、多级放大器、以及对应的脉冲压缩器和靶室等。该装置可以输出5,30,100

TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求。目前该装置的末级输出峰值

功率达到286TW,脉宽29.8f s,靶面聚焦功率密度达到3.36×1020W/c m2。

关键词:钛宝石晶体;啁啾脉冲放大;声光光谱色散滤波器;峰值功率;聚焦功率密度

中图分类号:O436;T N241;T N248文献标识码:A

啁啾脉冲放大(C P A)技术的应用,使得超短脉冲激光的峰值功率大幅提高,可以在很小的台面激光装置上获得TW(1012W)量级峰值功率输出。近年来,随着相关领域的发展,超短脉冲的峰值功率有进一步提高,输出功率已达到100TW或P W,聚焦功率密度可达到1021W/c m2。如此超高强度的激光脉冲,可以创造极端的物态条件,用于研究相对论领域的光与物质相互作用,如超快X光激光产生[1]、超高次谐波产生、激光尾波场粒子加速、实验室天体物理学及快点火机制[2]等。随着超短超强脉冲激光装置性能的提高和研究工作的深入,超短超强脉冲激光将会在科技和民用方面呈现广阔的应用前景。由于超短超强脉冲具有非常大的潜在的应用价值,倍受世界各国的关注。近年来,各科技大国均纷纷研制大型的超短脉冲激光装置。

目前世界上已建或正建的100TW级以上的激光装置,其技术途径有两种。其一选用钕玻璃作为放大介质,放大后的脉冲能量高达几百J或千J,压缩后的脉宽一般在p s或亚p s量级。这种技术途径耗资巨大,如1996年美国利弗莫尔实验室建成的P W装置[3],其输出参数为1.5P W/660J/440f s。另一种是以钛宝石为增益介质的啁啾脉冲放大技术,其特点是输出脉宽窄,能量较小。如日本原子能研究所研制的全钛宝石P W 级激光装置[4],目前已获得850TW,通过进一步优化可获得P W峰值功率输出。

本文将介绍的S I L E X-I激光装置(S u p e r I n t e n s eL a s e r f o r E x p e r i m e n t s o n t h eE x t r e m e s),如图1所示,采用了全钛宝石的啁啾脉冲放大技术路线。该装置可以输出5,30,100TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求。

F i g.1O p t i c a l l a y o u t o f S I L E X-I

图1S I L E X-I激光装置光路排布

*收稿日期:2005-07-22;修订日期:2005-09-30

基金项目:国家863计划项目资助课题;中国工程物理研究院基金资助课题

作者简介:黄小军(1974-),男,博士研究生,主要从事超短超强脉冲激光技术研究;E-m a i l:h x j740204@y a h o o.c o m.c n。

1 前端系统

前端系统是一个台面TW 量级系统,

主要包括钛宝石自锁模飞秒振荡器、O f f n e r 无像差展宽器、再生放大器、预放大器及主放大器。在4.9W 连续532n m 绿光(C o h e r e n t ,V e r d i -8)

泵浦下,飞秒振荡器输出功率为400mW ,74MH z 的锁模脉冲序列,单个脉冲的宽度(F WHM )为20f s 。从振荡器输出的种子脉冲经过O f f n e r

展宽器将脉宽展宽到450p s 。展宽器由一块1200g /m m 的镀金光栅、

一块凸面镜和一块凹面镜等组成。脉冲在展宽器上8次通过,然后进入后续的放大器中进行放大。

为了克服再生放大器中的增益窄化效应及预补偿放大过程中引入的光谱振幅和位相畸变,

我们在飞秒振荡器后应用一个可编程的声光色散滤波器[5～8](A O P D F ),其原理如图2所示。声光晶体是双折射晶体,n o <

n e 。在晶体中声波相对于光波可以认为是静止的,

带啁啾的纵向声波在声光晶体中形成间距可变的体衍射光栅。宽光谱的种子脉冲首先沿晶体快轴(n o )

传播,当通过声波形成的衍射光栅时,不同频率的光波ω将在晶体内部不同位置Z (ω)发生衍射,衍射光沿晶体慢轴(n e )

传播。因此,不同频率的光谱通过声光晶体时会产生不同的时间延迟,从而可以控制不同频谱成分的位相。通过控制声波功率可以对光谱的振幅进行调制。通过

A O P D F 预调制飞秒振荡器输出的光谱,

使其光谱为马鞍型,则可以较好地克服再生放大器的增益窄化效应。实验发现,飞秒振荡器的输出光谱宽度为50n m ,在应用A O P D F 进行预调制前,

再生放大器输出的光谱宽度为25n m ;应用后,光谱宽度变为40n m 。A O P D F 对再生放大器的调制光谱如图3所示。脉冲展宽后进入再生放大器,再生放大器是一个稳定的T E M 00腔。由调Q 倍频的Y

A G 激光器泵浦,能量为30m J 。该再生放大器采用单普克尔盒和偏振片来控制脉冲的注入和导出。再生放大后的脉冲能量约为2m J

。F i g .2 P r i n c i p

l e o fA O P D F 图2 A O P D F 原理F i g .3 S p e c t r a lm o d u l a t i o nb y A O P D F 图3 A O P D F 对再生放大器光谱的调制

预放大器的增益介质为一块1

0m m×10m m×15m m 的钛宝石晶体,对532n m 绿光的吸收系数为2.0c m -1。该放大器由调Q 倍频的Y A G 激光器泵浦,

泵浦能量为170m J 。通过该放大器四程放大后,激光脉冲能量可达到30m J

。 预放输出光束通过扩束准直到9m m ,

然后注入到前端主放中。主放大器采用直径为20m m 、厚度为20m m 的钛宝石晶体作为增益介质。泵浦源是一台商品化的Y A G 激光器(T h a l e s ,S A G A ),倍频光能量为1.25

J ,重复频率10H z

。泵浦能量等分为两束对钛宝石晶体进行双面泵浦,为了提高泵浦光的利用效率,将剩余的泵浦光反射到钛宝石晶体进行二次利用。由于泵浦到钛宝石上的能量很大,需要对钛宝石晶体进行水冷。从主放输出的脉冲能量高达300m J 以上。

从前端系统输出的脉冲可以直接进入压缩器压缩,

输出脉冲峰值功率为5TW ,可输入配套的靶室,用于物理实验打靶。也可以进入后续放大器进行继续放大。

2 中间放大器

前端系统输出的光束通过软边光阑和空间滤波器,

对光束进行空间滤波和整形,使其变为超高斯光束,然后进行到中间放大器。中间放大器是一个全像传递构型,这种方式既克服了光束在传输过程中由于小菲涅尔数带来的衍射问题,又能保持较好的近场分布。这是本系统设计的特色和创新点。为了实现光束的全像传递,

该放大器不同于传统的平面“弓弦”构型[

9],采用全像传递的空间四程放大构型[10,11]。放大器中用凹面镜代替平面镜,整个放大器由四组4F 系统的像传递系统组成。激光束在凹面镜上的离轴角度很小,小于3o,因此子午和弧矢像差很小,可以忽略。由于像传递系统存在实焦点会击穿空气,放大器支架置于真空中。

6861强激光与粒子束第17

卷

增益介质为直径3

0m m 、厚度15m m 的钛宝石晶体,该晶体对532n m 波长激光的吸收系数为1.5c m -1,约90%的泵浦光被吸收,两端面镀增透膜,垂直切割。利用6台10H z 重频的调Q 倍频的Y A G 激光器对钛宝石晶体进行双面泵浦,每端3台泵浦源共用一个空间滤波器,对泵浦光束进行像传递和扩束,以保证晶体端面上有合适的光斑尺寸并能保持良好的光束质量。实验发现,钛宝石晶体后面的双色镜损伤阈值较低,放大器不能运行在饱和放大状态,其输出能力受此限制,仅能获得1.5J 的放大输出,低于2.5J 设计值。

从中间放大器输出的激光脉冲可以直接进入对应的真空压缩器,

压缩后的峰值功率为30TW 。3 功率放大器

从中间放大器输出的激光束扩束到6

0m m ,然后进入末级功率放大器。该放大器采用直径80m m 厚度17m m 的钛宝石晶体。由于钛宝石口径较大,需要考虑放大自发辐射(A S E )和横向寄生振荡的影响。A S E 和

横向的寄生振荡将消耗上能级的反转粒子数,甚至对晶体边缘造成损坏。为了抑制或消除钛宝石晶体的横向寄生振荡,通常采取如下措施:在晶体侧面涂黑或磨毛、镀减反膜、折射率匹配包边等。最有效的方法是采用与

钛宝石折射率相近的热塑胶对钛宝石进行包边处理[5,8]。该胶的折射率为1.6849(波长为800n m )

,包边后钛宝石界面反射率为0.0475%,寄生振荡增益的阈值增加到2100,允许泵浦能量密度达到3J /c m

2。 功率放大器也是四程放大器,

与前级放大器不同的是,这一级的光束口径较大,对应的菲涅尔数也较大,衍射效应可以忽略,因此采用的是非像传递的放大方式。该放大器采用自建的一套泵浦源系统进行泵浦,泵浦源系统输出基频光能量达150J ,倍频后532n m 绿光能量可达90J 。目前该放大器在532n m 绿光为49J 泵浦时,获得了14.2J 的放大能量输出,能量转换效率为29%,

当达到饱和放大时可获得更高的转换效率。4 压缩器

考虑到目前全息光栅破坏阈值的影响,

进入到压缩器的光束口径扩束到140m m ,而光栅的尺寸为420m m×210m m ,

因此压缩器采用了四块光栅。同时考虑到尽量减小真空体积,我们采用了上下双层光栅的压缩方式。光栅刻线密度为1480l /m m ,单块光栅的衍射效率大于94%。由于压缩器内的峰值功率极高,因此采用真空压缩的方式。我们测量了压缩器的效率为60%,因此压缩后脉冲能量为8.52J ,压缩脉宽为29.8f s ,对应压缩后输出的峰值功率为286TW 。

实验发现,

需要对压缩后的脉宽和焦斑同时监测,精确调整压缩器光栅,则可以获得接近衍射极限的远场焦斑和接近傅里叶变换极限的脉宽,如图4所示。具体的调节方法将由专门文章描述。通过单次自相关仪的定标,在线阵C C D 上定标系数为1.295f s /p

i x ,脉冲的半高宽(F WHM )的像素为23p i x ,对应的脉宽为29.8f s ,如图5所示。以800n m 为中心的光谱宽度为35n m ,

设激光脉冲的时间形状为高斯形,则脉宽与带宽乘积接近傅里叶变换极限。

F i g .4 S p a t i o -t e m p o r a lm e a s u r e o f c o m p r e s s e d p u l s e 图4 压缩脉冲时空监测F i g .5 P u l s ew i d t ho f c o m p

r e s s e d p u l s e 图5 压缩后脉宽(F WHM :29.8f s )F i g .6 F o c a l s p o t o f c o m p r e s s e db e a m 图6 远场焦斑(F WHM :5.7μm )

远场焦斑的测量采用放大成像加透射光栅定标的方法,在C C D 上定标系数为1.14μm /p

i x ,焦斑的半高宽(F WHM )为5p i x ,对应的焦斑大小为5.7μm ,

如图6所示。5 结 论

S

I L E X -I 激光装置输出的峰值功率为286TW ,脉冲宽度为29.8f s 。用F 1.7的抛物面镜获得焦斑直径(F WHM )为5.7μm ,通过计算机对焦斑形态分析,在焦斑半高全宽范围内的能量集中度为30%,

因此可以计7

861第11期黄小军等:100TW

级超短超强钛宝石激光装置

算焦斑F WHM 内的功率密度为3.36×1020W /c m

2。这是目前国内最高峰值功率的激光装置,其技术指标达到世界先进水平。同时也是世界上少数几台可以稳定运行在大于100TW 峰值功率的激光装置之一。致 谢 在该项目的研制过程中,得到了上海光机所范滇元院士、复旦大学钱列加教授、北京物理所魏志义研究员、天津大学柴路教授及原子能研究院马景龙博士等的有益建议和指导,在此一并表示感谢。

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)U l t r a -s h o r t u l t r a -i n t e n s eT i :s a p p h i r e l a s e r f a c i l i t y w

i t h p

e a k p o w e r o

f h u n d r e d -t e r a w a t t -l e v e l HU A N G X i a o -j u n 1,

2, P E N G H a n -s h e n g 1, W E IX i a o -f e n g 1, WA N G X i a o -d o n g 1, Z E N G X i a o -m i n g 1,

Z H O U K a i -n a n 1, G U O Y i 1, L I U L a n -q i n 1, WA N G X i a o 1, Z HU Q i -h u a 1, L I N D o n g

-h u i 1,T A N G X i a o -d o n g 1, Z HA N G X i a o -m i n 1, C HU X i a o -l i a n g 3, WA N G Q i n g -y u e 2(1.R e s e a r c hC e n t e r o f L a s e rF u s i o n ,C A E P ,P .O .B o x 919-988,M i a n y a n g 6

21900,C h i n a ;2.S c h o o l o f P r e c i s i o nI n s t r u m e n t s a n dO p t o e l e c t r o n i c sE n g i n e e r i n g ,K e y L a b o r a t o r y o f O p t o e l e c t r o n i c I n f

o r m a t i o n a n dT e c h n i c a lS c i e n c e ,C h i n aM i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,T i a n j i nU n i v e r s i t y ,T i a n j

i n 300072,C h i n a ;3.C o l l e g e o f E l e c t r o n i c s I n f o r m a t i o n ,S i c h u a nU n i v e r s i t y ,C h e n g

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f aT i :s a p p h i r eC P A l a s e r f a c i l i t y n

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l i f i e r ,t h e m a i na m p l i f i e r ,t h e p o w e r a m p l i f i e r ,t h e v a c u u mc o m p r e s s o r a n d t h e v a c u u mt a r g e t c h a m b e r .S I L E X -I h a s t h r e e o u t p

u t p o w e r s :5TW ,30TW ,a n dh u n d r e d s t e r a w a t t ,a n d t h e r e a r e c o r r e s p o n d i n g t a r g e t c h a m b e r f o r d i f f e r e n t p h y s i c a l e x p

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f 286TWa n d t h e p u l s ew i d t ho f 29.8f s a f t e r t h e c o m p r e s s o r a r e o b t a i n e d .T h e f o c a l i n t e n s i t y

i s 3.36×1020W /c m 2w i t h t h e f o c a l s p

o t o f 5.7μm. K e y w o r d s : T i :s a p p h i r e ; C h i r p e dP u l s eA m p l i f i c a t i o n ; A O P D F ; P e a k p o w e r ; F o c a l i n t e n s i t y 8861强激光与粒子束第17卷