用于极端光应用的10拍瓦激光器

发布时间: 2020-04-20 10:49:54   作者:本站编辑   来源: Proc. SPIE   浏览次数:

 

 报道了前所未有10拍瓦激光脉冲的产生,其由ELI-NP(极端光设施核物理分系统)研究设施中高功率激光系统(HPLS)的两大束中的各一路产生。该激光系统是一个混合系统,由基于钛蓝宝石晶体内放大的双CPA和具有参量放大级的OPCPA组合而成,其在第二级CPA入口处的能量可提升至10mJ。一个XPW滤波器也插在两级CPA之间,与OPCPA一起可将脉冲时间波形的对比度提升七个数量级。在放大过程中产生的光谱效应,如增益窄化和波长漂移,则通过使用光谱滤波器进行补偿。终端放大级包含大口径钛蓝宝石晶体(口径达200mm),其由高能量倍频钕玻璃激光器进行泵浦,每台激光器可传输100J的绿光。激光束的脉冲能量在每分钟一发的频率下分别达到332J342J,且没有产生ASE和横向激光,靠的是环绕整个晶体长度的指数匹配流体,以及在光束每次通过钛蓝宝石晶体前的泵浦沉积管理。我们通过米级光栅将全口径光束压缩至22.6fs,从而首次完整展示了激光器系统的10拍瓦能力。

用于超高强度(UHI)物理的高峰值功率激光器已经发展了近20年。第一代此类激光器基本上是用钕玻璃啁啾脉冲放大器(CPA),以极低的重复频率(每天几发)进行工作。在过去十年,CPA得到了巨大的发展,其基于由钕玻璃激光器二倍频光泵浦的钛蓝宝石晶体。几个小组最近报道已经实现4拍瓦的输出,而完全商业化的系统可实现以1Hz的频率进行拍瓦输出,其基础是由拍瓦级激光器产生的,最短少于25fs的激光脉冲。这些系统已经做出了杰出的成果,如高达8GeV的激光等离子体电子加速的记录。

其下一代系统将基于可传输比目前峰值功率更高的激光器,包括在罗马尼亚的包含两路10拍瓦光束(HPLS,高功率激光系统)的ELI(极端光设施)核物理分系统(ELI-NP)。于20137月,由罗马尼亚核物理研究所Horia Hulubei IFINHH)授予THALES公司。

HPLS由两路光束组成,每路可以一分钟一发的频率输出10拍瓦的峰值功率,可能的中间输出为100太瓦,10Hz以及1拍瓦,1Hz。两路光束的种子源是一个共用的10mJ前端。

1 HPLS的总体排布

1. 激光系统描述

1.1 前端

一种混合了钛蓝宝石CPA/OPCPA并与两级间XPW滤波器相结合的前端被开发出来,作为10mJ宽带高对比度种子源。

前端可分为五个主要部分:振荡器、Ti:蓝宝石级、XPW级、OPCPA泵浦激光器和NOPCPA级。

1.2 展宽器压缩器

每路光束的种子脉冲,约5mJ,随后将导入展宽器中。该展宽器由两级组成:主Offner展宽器,局部压缩器以及一个炫光器(Fastlite)。

2 10PW压缩室

Offner展宽器安装在一个双光栅结构中。该展宽器的双程通过特性使展宽系数超过13ps/nm。其可支持超过150nm的光谱带宽

每种输出(100TW1PW10PW)的压缩器是Treacy结构的。对于100TW而言,其只使用两个光栅进行折叠,而对于1PW10PW,其在每个压缩器中使用四个光栅进行固定和展开。10PW压缩器使用四个由法国Horiba提供的575×1015mm2的金光栅(图2)。

1.3 泵浦激光器

激光系统的每种输出都有特定的重复率:100太瓦时为10Hz1拍瓦时为1Hz10拍瓦时为1/分钟,并使用特定的泵浦激光器。

用于100TWAMP1)放大器的是SAGA HPTHALES)泵浦激光器。它们是工作频率为10HzQ开关NdYAG激光器,工作波长532nm时每个脉冲可传输最大1.8J的能量,脉冲宽度约10ns

用于1PWAMP2)放大器的是GAIA HPTHALES)泵浦激光器。它们是1HzQ开关NdYAG激光器,与两条激光光路组成二倍频发生器。其可传输一组间隔22ns12ns宽脉冲,最大输出能量为16J

用于10PWAMP3)放大器的ATLAS 100泵浦激光器(THALES)是经专门开发的。激光脉冲的产生是通过振荡器实现的,振荡器使用掺钕离子的钇氟化锂晶体(YLiF4通常称为YLF)。选择这种材料是因为它可以发射1053 nm的波长,这与高能放大器中使用的掺钕磷酸盐玻璃的增益曲线是一致的,也因为它的增益远远大于掺钕磷酸盐玻璃的增益。这使系统能在适度的泵浦水平下提取足够的能量,使得系统能在1Hz的重复频率下工作,得以方便地准直整个实验装置。此外,该材料较弱的热透镜效应使其几乎不受泵浦功率的影响。振荡器包括一个泡克尔斯盒Q开关,可产生高强度和短脉宽(通常20纳秒)的脉冲。一个可变反射率的输出耦合器使我们能在单个空间横向模式中提取到高能量(100兆焦)。这导致激光束的低发散度,并获得更高的倍频转换效率。

2. 结果与结论

3 斯太尔率和相位图

所有测量均以308 J1/分钟的频率在Amp3的出口处进行,以保持安全界限。只有1.5%的光束经由安装在压缩室入口的宽带镀膜楔形板送入压缩室,而非通过一个折叠镜,以避免将高峰值功率激光脉冲导入真空腔室。在未来与光路连接前,腔室出口由丝锥密封,用以防止任何对整个压缩室的污染。

波前是第一个由变形镜测量并校准的参数。校准后,由波前传感器测得的残余像差为51nm rms,导致斯太尔率为0.87(图3)。由远场观测到良好的高斯光束轮廓证实了波前的高品质(图5)。

用同样的设备测量超过100发次的光束指向稳定性(1小时40分钟):考虑光束尺寸因子减少了150倍,其结果为水平轴0.9μrad rms,垂直轴1.06μrad rms(图4)。

4 水平和垂直轴向的超过100发次的测量

观察到的近场光束剖面(5)Amp3的输出处有更多的结构,因为光束在压缩机输出处有超过20米的传播距离。对整个光束的精细分析已经着手进行:探测到的最大局部通量为150mJ/cm2,而平均值为77mJ/cm2。一些样品先前在光束局部通量大于200mJ/cm2的情况下进行测试,并在经历几百万发次后未出现损伤。

综上所述,我们开发了一种短脉冲激光系统,该系统可传输两束各为10pw的激光,其基于CPAOPCPA技术的结合,以最大限度地提高脉冲的时间对比度和频谱带宽。我们展示了一套激光系统,可以1/分钟的频率输出脉冲,其峰值功率为10.1 PW, 斯太尔率为0.9,在皮秒区间内的对比度为13阶。该高功率激光系统,包括其六个输出端,现已在罗马尼亚全面部署,并已成功开始使用,这是ELI-NPTHALES之间的良好合作的成果。

5. 光束近远场形状

编译自: 10 petawatt lasers for extreme light applications. F. Lureau, O. Chalus, G. Matras, S et. al. " Proc. SPIE 11259, Solid State Lasers XXIX: Technology and Devices, 112591J.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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