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上海光机所提出用于10s-100s PW激光的“分步压缩器”新方案

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2021-07-05 689
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 技术前沿
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目前,获得10s-100s PW超强激光的最大瓶颈是受限于压缩光栅的尺寸与损伤阈值。

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室提出了一种“分步压缩器”的脉冲压缩新设计。相关成果发表于国外学术期刊《光学快报》上。拍瓦(1015瓦,PW)超强激光在激光粒子加速乃至真空极化等前沿科学研究中有重要应用。目前,获得10s-100s PW超强激光的最大瓶颈是受限于压缩光栅的尺寸与损伤阈值。


2020年,上海光机所研究团队利用光栅损伤阈值随脉冲宽度增加而增加的特性,提出了“内部分束压缩器”降低了压缩组束的难度。最近,研究团队在之前的研究基础上,进一步考虑激光时空特性,提出了“分步压缩器(MPC)”的新设计。


新设计的思想有点类似啁啾脉冲放大技术(CPA),CPA是将晶体损伤矛盾转移到激光时域来解决,通过在放大前后分别增加展宽器与压缩器专门解决脉冲的宽度问题来实现。这个MPC的新设计,则是将压缩光栅损伤的矛盾转移到脉冲时空特性上,让四光栅压缩器的激光时空特性可实现最高能量的输入输出,并在前后增加预压缩与后压缩来专门解决时空特性问题。


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通常,在高能量PW激光系统中,典型的四光栅压缩器用于最后的脉冲压缩,其中第一个光栅具有最高的输入脉冲能量,最后一个或第四个光栅具有最短的输出脉冲持续时间。第一个和最后一个光栅的损伤阈值和有效尺寸,限制了最大输入和输出脉冲能量。除光栅之外,损伤阈值还受到四光栅压缩器中输入和输出激光束的时空特性的限制。


因此,研究团队通过对输入和输出激光束的时空特性进行修正以找到解决方案。研究人员通过分别在第一个和最后一个光栅表面修改输入和输出激光束的时间和空间特性,可以提高 四光栅压缩器中的最大输入和输出脉冲能量。


为了实现这一目标,使用前置压缩器和后置压缩器分别修改和补偿输入和输出激光束的时空特性。这种新型压缩器也被命名为“多级脉冲压缩器”,因为它将传统的单一四光栅脉冲压缩过程分为多个阶段。通常是三个阶段,包括预压缩器、主压缩器和后压缩器。预压缩器用于修改输入激光时空参数,以增加输入脉冲能量。


图2所示的是实现10s -100s PW激光器的MPC基本光学示意图。基于压缩器的一对棱镜沿着与输入激光束在光学传播平面中的传播方向垂直的一个轴(以下称为X轴),从而引起适当的空间色散。引起的空间色散将稳定空间域中的激光强度,并同时放大激光束。然后,它将增加主四光栅压缩器的最大输入脉冲能量。


在主压缩器之后,必须进一步补偿空间色散以在焦点处实现超短飞秒激光脉冲。这里利用时空聚焦效应自动补偿焦点处的空间色散。这里利用时空聚焦效应自动补偿焦点处的空间色散。预压缩器用于修改主四光栅压缩器第一光栅上输入激光束的时空特性。


众所周知,PW激光器系统中放大激光束的空间强度调制相对较高,这主要是由于泵浦光束的空间强度调制通常较高。此外,由于灰尘或四光栅压缩器之前光学缺陷造成的衍射,在传统设置中的第一个衍射光栅表面上可能会出现一些热点。考虑到这些负面影响,在典型的 四光栅压缩器设计中,最大输入脉冲能量甚至降低两倍,以避免损坏主光栅压缩器的第一个或最后一个光栅。


采用当前可获得最大尺寸光栅,理论上MPC新设计可实现单束100 PW激光压缩输出,突破了压缩光栅对峰值功率提升的阶段限制。新设计不仅简化了装置,可节省12块米级光栅等大量大口径昂贵元件,最重要的是大大降低了100PW的实现难度。MPC设计不仅可以用于在建的SEL-100PW超强激光科学装置,还可用于已有拍瓦激光系统,乃至未来的数百拍瓦及艾瓦激光系统。


来源:荣格-《国际工业激光商情》


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