全二极管泵浦的激光系统POLARIS——一种可被实验学家用来产生高能超高对比度脉冲的工具

发布时间: 2014-12-28 14:47:46   作者:本站编辑   来源: High Power Laser Science and Engineering   浏览次数:

  目前,全二极管泵浦的固态激光系统POLARIS可以输出4J能量、144fs脉宽和针对自发辐射放大(ASE)的超高时间对比度5×1012的激光脉冲。其中用到了被称作双啁啾脉冲放大的方案和交叉偏振波产生的脉冲清理。通过紧聚焦,峰值功率将超过3.5×1020Wcm-2。这些参数使得POLARIS系统注定成为一个非常适合复杂实验中的科学工具,比如测量加速质子的能量。最近新的放大器已添加到已有的激光串级中。该阶段,此放大器输出的脉冲还未压缩也还未达到预期值。即使如此,16.6J的输出能量已经达到。

  基于啁啾脉冲放大(CPA)的激光系统,其输出功率已到达太瓦甚至拍瓦量级,聚焦光强超过了1022Wcm-2。这已被广泛用于研究激光与物质相互作用。这一领域过去三十年的迅猛发展表明激光的脉宽、能量和时间强度对比度对实验结果有重大影响。特别引入注意的实验包括电子、离子加速和激光产生X光,高能物理和激光驱动的质子成像。目前世界上对高能密度现象感兴趣的小组所依赖的装置都是直接或间接用闪灯泵浦。同时过去十几年用全二极管泵浦的激光系统(DPSSL)来产生高能飞秒或皮秒激光脉冲的方案也得到了大力的研究。最常用的Yb3+掺杂的放大介质已经被用在能量超过10焦耳的纳秒激光脉冲放大。比如最近公布的LUCIA项目(Yb:YAG,14焦耳),DIPOLE项目(Yb:YAG,10焦耳)和MERCURY项目(Yb:S-FAP,55焦耳)。进一步,全世界许多项目都开始研究开发高能量量级的DPSSL(HECDPSSL)。

  在德国耶拿的赫姆霍兹光学与量子电子学研究所,POLARIS激光系统已经被开发并服役了过去几十年。日常的工作也正式开始。过去两年内在试验项目中,多达16000发已经打到靶材上。POLARIS项目在1999年都已经开始,当时是为了开发高能密度的HECDPSSL来用于激光物质相互作用的试验中。POLARIS目前的主要参数是:1030纳米的中心波长,高达6.5焦耳的脉冲能量(到达靶材上有4焦耳),144飞秒的脉冲时间,7.1平方微米的聚焦尺寸和5×1012的自辐射放大(ASE)的时域对比度。在这些参数条件下实验可以得到3.5×1020Wcm-2的峰值强度。据我们所知,POLARIS是目前最高功率和强度的二极管泵浦的激光系统。但激光系统仍在不断开发以进一步增加脉冲能量、减小脉冲时间和更好地满足实验要求。本文中我们描述了POLARIS的架构,包括最近才服役的A5放大器和才安装的展宽-压缩系统(双CPA)。在一级CPA放大后,脉冲被用来产生交叉极化波(XPW)从而显著提高了时间强度的对比度。进一步,给出了脉冲在被放大、压缩和聚焦后的时域、空间特性。该激光系统在峰值强度、时域对比度和脉冲稳定性方面都最终适合高能量密度实验。

  1. POLARIS激光的架构

  图1给出了POLARIS激光系统的概述。系统采用了两级CPA单元和六个放大平台来放大激光脉冲。脉冲压缩后在一个辐射防护掩体和靶室腔来进行实验。激光链的种子脉冲是用商用(Coherent MIRA 900)的锁模钛宝石振荡器产生的中心波长在1030纳米、脉冲能量在7纳焦耳、谱宽(FWHM)为20纳米的脉冲。在进入第一个再生放大器时,脉冲的时域已经被展宽到20皮秒。A1放大器将脉冲能量增加到2毫焦耳。之后脉冲在进入BaF2晶体做成的非线性XPW过滤器前再次被压缩到130飞秒。对比度清洗后的脉冲被第二个展宽器再次展宽到2.5纳秒的时域宽度,并被第二个再生放大器A2进一步放大至30毫焦耳的能量。而放大至焦耳量级是有一个中继成像放大器(A2.5:输出能量200毫焦耳)和两个多次往返的非成像放大器(A3:输出能量800毫焦耳和A4:输出能量6.5焦耳)来完成。所有这些放大器都采用掺Yb3+氟磷酸作为活性介质材料。被放大的脉冲要么被送到主压缩器中,要么用作最终放大器A5的种子源。最后一级放大器采用Yb:CaF2在九路配置中作为活性介质。目前其可以输出的最大能力为16.6焦耳(种子光能量为2.7焦耳)。这级放大器的活性物质使用120个激光二极管堆栈来泵浦,每一堆栈可以以300kW功率泵浦入940纳米的2.5毫秒长的泵浦脉冲。A5放大器的压缩和聚焦束线目前正在开发,并将很快完成。这里给出的所有实验,顶多只使用了A4放大器输出的光。为了提高光束的聚焦度,脉冲在拼接光栅压缩器压缩后通过了自适应光学系统。使用f/2抛物镜聚焦到靶室腔内,可以得到3.5×1020Wcm-2的峰值强度。

  

  图1  POLARIS激光系统的概述。绿色框图表示六个放大器,每一级由一个振荡器和两个展宽-压缩装置构成。基于XPW的非线性滤波展宽频谱和加强时域对比度。一个适应性光学系统被用来在脉冲进入靶腔室内聚焦前进行波前平滑

  2. 用于时域对比度提高和频域展宽的双CPAXPW

  由于高能密度试验中激光的时域对比度被证明是实验成功的最关键的参数,我们一直努力优化POLARIS的对比度。为了应用XPW产生的非线性过滤来提高对比度,前端用前面提过的皮秒CPA平台进行了扩展。

  3. 脉冲宽度测量

  这节中我们给出了最终压缩后的激光脉冲的时域分布。

  

  图2  压缩脉冲的时域测量。(a) A4放大器得到的4焦耳能量脉冲的二阶自相关。高斯分布可以很好地拟合测量数据;(b) A2脉冲(10毫焦耳脉冲能量)的高动态的Wizzler测量

  

  图3  放大激光脉冲近场强度分布的测量。(a) 脉冲压缩后抛物镜聚焦前的A4放大器光束分布;(b) A5放大器直接放大后的、脉冲能量为16.6焦耳的光束分布

  4. 脉冲空间分布的描述

  激光脉冲的均匀的类超高斯近场分布对于有效能量输出和最大压缩器是适用的。主放大器A4和A5的最大可提取脉冲能量被激光引起活性材料表面或内部损伤的阈值所限制。

  5. 高动态的时域脉冲描述

  这节中我们给出了在不同时间尺度的高动态范围内,压缩脉冲的时域特征概述来量化时域对比度。图4给出了POLARIS脉冲在指数-指数尺寸上的时域特征。

  

  图4  被放大并压缩的激光脉冲的高动态的时域特征。其中强度是用f/3聚焦后的相对的靶材上的强度。负时间被定义为激光脉冲前的时间。激光脉冲的特征化使用了不同的测量方法

  6. 实验性能

  •   使用目前安装的f/2聚焦抛物镜,POLARIS激光可以得到重复频率在1/40Hz的3.5×1020Wcm-2的峰值强度。脉冲宽度也短至144飞秒,靶材上的能量可以到4焦耳。过去两年到目前为止为了加速质子或电子,我们已经做了许多实验。例如,质子已经被薄靶材的TNSA加速。
  •   7.结论与展望

  作为总结我们给出了全二极管泵浦的固态激光系统POLARIS的概述。据我们所知目前3.5×1020Wcm-2的峰值强度是世界上最强的DPSSL。除此之外激光系统也给出了5×1012的超高ASE对比度。进一步,我们验证了脉冲能量可以用二极管泵浦的Yb:CaF2晶体来增加至16.6焦耳。在不远的未来,这级放大器后的脉冲被压缩和聚焦后记可以用于高密度激光物质相互作用的实验。最后在用POLARIS系统的实验中,产生的稳定质子束其能量比标准的截至能量要提高7%。

  时银摘译自:The all-diode-pumped laser system POLARIS – an experimentalist’s tool generating ultra-high contrast pulses with high energy. Marco Hornung, Hartmut Liebetrau, Andreas Seidel et al.. High Power Laser Science and Engineering, 2(3):e20, 2014

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