導(dǎo)讀
基于啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，超強(qiáng)超短激光裝置的峰值功率在過去數(shù)十年間已經(jīng)從太瓦提高到了10拍瓦（1 PW=1015W）量級(jí)，并逐步走向重復(fù)頻率工作模式。目前，100 PW量級(jí)激光裝置的建設(shè)及其前沿應(yīng)用也成為了當(dāng)前的國(guó)際研究熱點(diǎn)。然而面向更高峰值功率激光，現(xiàn)有的CPA技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展受到鈦寶石晶體口徑以及固有橫向寄生激光效應(yīng)等的限制。相比之下，基于大口徑非線性晶體的光學(xué)參量啁啾脈沖放大（OPCPA）將成為實(shí)現(xiàn)100 PW峰值功率激光最可行技術(shù)方案之一。
最近，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了極端光物理線站（Station of Extreme Light，SEL，是上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目中的重要內(nèi)容）SEL-100 PW激光裝置前端建設(shè)進(jìn)展。該前端裝置利用基于LBO晶體的三級(jí)OPCPA放大器，通過使用高信噪比寬帶種子源注入，獲得了大于200 nm的寬帶放大。結(jié)合精密色散控制技術(shù)，獲得了13.4 fs（1fs=10-15s）壓縮脈寬，實(shí)現(xiàn)了目前百太瓦量級(jí)OPCPA激光器中最窄脈寬輸出。團(tuán)隊(duì)自研的重頻泵浦源技術(shù)使該前端裝置成為世界上首個(gè)工作在重頻模式下的百太瓦量級(jí)（>250 TW / 0.1 Hz）OPCPA激光裝置。
圖1 SEL-100 PW裝置0.1 Hz/200 TW級(jí)OPCPA前端示意圖
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Xinliang Wang, Xingyan Liu, Xiaoming Lu, Junchi Chen, Yingbin Long, Wenkai Li, Haidong Chen, Xun Chen, Peile Bai, Yanyan Li, Yujie Peng, Yanqi Liu, Fenxiang Wu, Cheng Wang, Zhaoyang Li, Yi Xu, Xiaoyan Liang, Yuxin Leng, Ruxin Li, "13.4?fs, 0.1?Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9894358, 8 pages, 2022.
基于啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，超強(qiáng)超短激光裝置的峰值功率在過去數(shù)十年間已經(jīng)從太瓦提高到了10 PW（1PW=1015W）量級(jí)，并逐步走向重復(fù)頻率工作模式。目前，100 PW量級(jí)激光裝置的建設(shè)及其前沿應(yīng)用也成為了當(dāng)前的國(guó)際研究熱點(diǎn)。如，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的EP OPAL項(xiàng)目計(jì)劃基于OPCPA方案，使用中心波長(zhǎng)位于910 nm的DKDP晶體搭建一套75 PW激光器，2021年其技術(shù)開發(fā)平臺(tái)通過使用70%氘化率的DKDP晶體實(shí)現(xiàn)了單發(fā)次運(yùn)行的21.5 fs/350 TW輸出指標(biāo)。俄羅斯應(yīng)用物理研究所（Institute of Applied Physics）也提出了XCELS（eXawatt Centre for Extreme Light Studies）項(xiàng)目，該項(xiàng)目期望搭建12路通道的中心波長(zhǎng)位于910 nm的15 PW光束，并使用相干組束方案實(shí)現(xiàn)180 PW的輸出，目前驗(yàn)證了基于DKDP晶體單發(fā)43 fs /560 TW輸出指標(biāo)。此外，2016年中國(guó)工程物理研究院完成基于全OPCPA技術(shù)路線的單發(fā)4.9 PW峰值功率輸出，是目前基于OPCPA技術(shù)路線最高峰值功率。然而，目前已報(bào)道的100 TW或PW級(jí)OPCPA激光系統(tǒng)均為單發(fā)次運(yùn)行模式，并且脈沖寬度約為20 fs。發(fā)展重頻百太瓦乃至更高量級(jí)，脈寬小于15 fs的OPCPA裝置依然面臨巨大挑戰(zhàn)。2018年，上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目（ SHINE）啟動(dòng)，其中一個(gè)重要組成部分是極端光物理線站（Station of Extreme Light，SEL），該線站將搭建一套100 PW級(jí)激光器（SEL-100 PW），與硬X射線自由激光（XFEL）結(jié)合，用于強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)方面研究。
近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在SEL-100 PW裝置前端裝置建設(shè)方面取得突破。團(tuán)隊(duì)通過三級(jí)基于LBO晶體的非共線寬帶OPCPA系統(tǒng)，結(jié)合自研的重頻大能量泵浦源技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光譜寬度大于200nm，能量為5.26J，重頻為0.1 Hz的放大脈沖輸出。并通過寬帶脈沖的精密色散控制，獲得了13.4fs的壓縮脈寬，可支持的最高脈沖峰值功率為263TW。相關(guān)研究成果以 "13.4 fs, 0.1 Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility"為題發(fā)表于Ultrafast Science。這也是繼2002年，在國(guó)際上首次建成基于OPCPA新原理的小型化10太瓦級(jí)超短超強(qiáng)激光裝置后,上海光機(jī)所在該領(lǐng)域取得的又一進(jìn)展。
為了獲得寬帶光參量放大，團(tuán)隊(duì)采用了非共線相位匹配技術(shù)方案，并綜合比較了BBO、LBO和DKDP這三種常用非線性晶體特性。在泵浦強(qiáng)度為1 GW/cm2時(shí)，三種晶體在925 nm中心波長(zhǎng)下的寬帶增益譜如圖2所示。與BBO和DKDP（D=80%）相比，LBO具有合適的非線性系數(shù)（0.79 pm/V），口徑可達(dá)100 mm、走離角最?。?.47 °）等特點(diǎn)，并且在925 nm中心波長(zhǎng)附近具有最寬的增益光譜（202 nm，半高全寬）。此外，LBO晶體能夠覆蓋DKDP（D=80%）的增益光譜，從而確保SEL-100 PW前端的輸出光譜可以完美地支持基于DKDP晶體的OPCPA終端放大器。
圖2 BBO，LBO以及摻氘率80%的DKDP晶體在1GW/cm2光強(qiáng)下的增益譜
該前端采用雙光柵展寬器對(duì)高信噪比種子光進(jìn)行展寬，啁啾率為14.2 ps/nm。展寬后種子光注入三級(jí)基于LBO的OPCPA放大器?；谧孕醒兄频?5 J/0.1 Hz泵浦激光，最后得到5.26 J的寬帶激光輸出。圖3(a)給出三級(jí)OPCPA放大器輸出光譜，光譜全寬為210 nm。圖3(b)-(e)對(duì)應(yīng)后兩級(jí)OPCPA泵浦以及信號(hào)光斑。
圖3 (a)三級(jí)OPCPA放大光譜曲線。(b),(c)第二/三級(jí)OPCPA泵浦光斑; (d),(e)第二/三級(jí)OPCPA信號(hào)光斑
第三級(jí)OPCPA之后，放大的脈沖注入真空壓縮器。利用OPCPA前端系統(tǒng)材料色散較小，雙光柵展寬器與共軛壓縮器的色散匹配等特性，在沒有額外使用高階色散補(bǔ)償器件的情況下，僅通過優(yōu)化壓縮器中光柵對(duì)的距離和角度，團(tuán)隊(duì)獲得了近傅里葉極限變換的壓縮脈寬，典型的脈沖寬度為13.4 fs，如圖4所示。由于真空壓縮器傳輸效率為67%，因此該前端裝置可以支持峰值功率263 TW、重頻0.1 Hz的激光輸出。
圖4 脈沖脈寬數(shù)據(jù)
總結(jié)與展望
第一作者：王新亮，中科院上海光機(jī)所副研究員，主要研究方向?yàn)槌瑥?qiáng)超短激光技術(shù)。以第一/通訊作者在Ultrafast Science、Optics Express、Applied Optics等期刊發(fā)表研究論文8篇，入選上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目。
通訊作者：陸效明，中科院上海光機(jī)所副研究員，主要從事強(qiáng)場(chǎng)激光技術(shù)工作。以第一/通訊作者在Optics Letters、IEEE J SEL TOP QUANT、High Power Laser Science and Engineering等期刊發(fā)表研究論文多篇。
通訊作者：許毅，中科院上海光機(jī)所研究員，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員。長(zhǎng)期從事超強(qiáng)超短激光裝置研制及關(guān)鍵技術(shù)研究。是國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)、上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）和SEL-100拍瓦大科學(xué)裝置等重大科技項(xiàng)目的關(guān)鍵系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。相繼負(fù)責(zé)并完成了高性能重復(fù)頻率的百太瓦級(jí)驅(qū)動(dòng)激光裝置、SULF-1拍瓦重頻激光裝置以及SEL-100拍瓦激光裝置樣機(jī)的研制。主持研制的高性能超強(qiáng)超短激光裝置，已成功應(yīng)用于激光粒子加速及次級(jí)輻射源產(chǎn)生等前沿研究領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)支撐的多項(xiàng)突破性研究成果已相繼發(fā)表在Nature（封面文章）, 595, 22 (2021) / Phys. Rev. Lett，126, 214801 (2021) / Phys. Rev. Lett（編輯推薦文章），117, 124801 (2016) 。近年來，以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文20余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。
通訊作者：冷雨欣，研究員，主要從事超強(qiáng)超短激光技術(shù)及其前沿重要應(yīng)用等方面的研究。目前主持中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)項(xiàng)目“新型超強(qiáng)激光光場(chǎng)創(chuàng)立及其特性操控”等重要項(xiàng)目，并承擔(dān)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置”(SULF)和 “硬X射線自由電子激光裝置”(SHINE)中的“極端光物理線站”(SEL)中的重要任務(wù)。在本領(lǐng)域國(guó)際重要SCI刊物上發(fā)表論文150余篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)。曾獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第四完成人）、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，2015年入選上海市領(lǐng)軍人才計(jì)劃，2018年入選上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人，2019年度獲得基金委國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目基金資助，2019年入選國(guó)家百千萬人才工程等。
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