提高激光裝置安全性，為超短激光保駕護航
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，它的出現為人類提供了物理條件與全新實驗手段。例如，2016年，中科院上海光機所在國內1次成功利用超短激光產生了正電子。
光參量啁啾脈沖放大技術(OPCPA)是當前實現超短脈沖放大的重要途徑，目前國內外在建的拍瓦級飛秒超短脈沖激光裝置多采用全系統OPCPA技術路線。其中，用于啁啾脈沖壓縮的大口徑光柵是決定裝置光機元件負載能力的關鍵，若光柵局部輻照能流密度太大，則極易造成區域損傷，可能引發后續光學元件的膜層損傷。所以，全口徑光束均勻性制約了超短脈沖全系統的整體輸出能力，對裝置運行安全性非常重要。
中國科學院上海光機所高功率激光物理聯合實驗室謝興龍研究員課題組從全系統綜合輸出性能優化角度，著重定量分析大能量OPCPA近場分布均勻性的演化，為SGII-5PW激光裝置進一步提升運行安全性提供優化依據，具體研究成果發表在中國激光第八期。
圖1所示為SGII-5PW激光系統結構，全放大鏈路由三級OPCPA組成。OPCPA-I為高增益前端預放，輸出單脈沖能量為80 mJ，半高全寬光譜寬度60 nm，對應的脈寬為1.5 ns。OPCPA-II單元以SG-II裝置第7路的倍頻光作為抽運光源，實現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光源，目標實現啁啾脈沖放大輸出250 J，壓縮實現優于150 J / 30 fs，峰值功率達到5 PW。
圖1 SGII-5PW激光系統結構圖
分析兩種情況下OPCPA輸出均勻性的對比(如圖2)，結合放大過程其他參數，可以得到兩個結論：
一，在參量放大器結構確定的情況下，當前非線性晶體長度19mm，可以同時獲得較高的轉換效率、較小的波前相位畸變、優化的近場分布均勻性以及較高的輸出穩定性;
二，抽運光近場分布對參量放大輸出有著更大影響，進一步提升神光II第7路光束質量，可以大幅度提升OPCPA-II輸出均勻性，對SGII-5PW系統運行安全性極為重要。
圖2 理想時空超高斯抽運光與實際信號光作用(a)以及理想時空超高斯信號光與實際抽運光作用(b)情況下，OPCPA-II放大輸出信號FF(實線)與FBC(虛線)隨晶體長度的變化。
研究人員表示后續將以拍瓦裝置的OPCPA-III單元第9路的倍頻光作為抽運光源，實現啁啾脈沖放大輸出250J，壓縮實現優于150J/30fs，峰值功率達到5PW的目標。
參考文獻： 中國光學期刊網
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