1 引言

自1985年Strickland 等^[1]提出啁啾脉冲光放大(CPA)技术技术以来,超强超短激光技术得到长足发展,输出功率量级已提升至数拍瓦量级^[2-5]。通过合理的聚焦手段^[6-7],这些激光系统可以实现高强度的聚焦功率密度输出,如日本的J-KAREN-P激光系统,使用f/1.3的离轴抛物面镜(OAP),实现了聚焦功率密度约为10²² W/cm²的激光输出^[8]。2017年,韩国光州先进光学研究所(APRI)在4.2 PW激光系统上通过波前校正技术和f/1.6的OAP获得了10²² W/cm²的聚焦功率密度^[9]。上海超强超短激光装置(SULF)在2016年实现5.4 PW的峰值功率输出之后^[10-11],2017年完成了339 J的能量输出,能够满足10 PW激光装置的能量需求^[12-13]。超强超短激光系统通过高强度的聚焦功率密度来创造极端强场物理条件,为高能量密度物理实验、惯性约束核聚变等实验的开展提供了极端的实验条件。

波前畸变是影响聚焦功率密度的重要因素之一。拍瓦级激光系统结构复杂,包含大量的反射镜、透射镜及其他光学器件,且光路结构复杂。光学器件加工面形误差等因素会引起光束波前畸变,并随光束在激光系统中传输而增大,最终影响系统的聚焦性能。因此,研究拍瓦级激光系统脉冲的波前产生及演变规律是开展波前校正实验的前提,对于提升拍瓦级激光系统聚焦性能具有重要意义。本文基于中国科学院上海光学精密机械研究所在建的SULF装置,逐级测量激光系统的波前畸变量,讨论各分系统节点波前的变化情况并分析其局部增大的原因。在此基础上,优化激光系统结构和光学器件的安装方式,降低系统静态波前畸变量,并定量分析钛宝石晶体质量对系统波前的影响,为SULF系统后期的波前校正及激光聚焦性能提升做好前期研究工作。

2 SULF激光装置介绍

SULF系统光路结构如图1所示。高比对前端产生的800 nm宽带种子光经过全反射式Offner展宽,脉冲宽度为2 ns,随后被注入高稳定性脉冲放大器中,得到能量为2 mJ的放大输出。输出的激光经过逐级扩束后通过三级钛宝石多通放大光路进行放大(将三次透射后的出光位置分别称为一通、二通、三通),最后得到放大输出能量为7 J、重复频率为1 Hz的激光脉冲输出^[12]。

图 1. SULF系统装置简图

Fig. 1. Schematic of SULF system

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经软边光阑整形后,主激光的光斑直径从35 mm扩束至65 mm,进入80 mm钛宝石多通功率放大器中进行放大;输出的光斑直径进一步扩束至115 mm,并进入150 mm钛宝石多通功率放大器中继续放大,输出脉冲能量为202.2 J的激光,此时光斑进一步扩束至300 mm,与压缩器光栅尺寸相匹配,从而避免破坏光栅。经压缩器压缩后,激光脉冲宽度为24 fs,输出峰值功率达5.4 PW。压缩后的飞秒激光脉冲经过300 mm口径变形镜后,再经过焦距为721 mm的OAP(f/2.5)进行聚焦^[14]。

中国科学院上海光学精密机械研究所在建的SULF 10 PW激光装置在目前的激光系统上增加一台220 mm口径的钛宝石主放大器(图1的虚线部分),输出激光的光斑直径为180 mm,输出能量为350 J。该输出激光通过真空扩束系统扩束至500 mm后传输至光栅压缩器内进行脉冲压缩,以实现功率为10 PW激光脉冲输出。

本文主要测量SULF激光装置已建成部分的波前畸变,包括经过各级放大器后和经过150 mm钛宝石放大器传输至压缩器后的激光脉冲的波前畸变,同时也测试并分析了新增的220 mm口径多通放大器对系统波前畸变的影响。

3 波前测量方法

首先逐级测量整个系统的波前畸变量并分析其演变规律。实验采用波前探测仪(四波剪切干涉仪,SID4)对14个测量点进行测量。

放大部分波前测量光路如图2(a)所示。主光束经两面白板反射镜衰减后,通过相应缩束比例的4f系统,在波前探测仪的探测面上成像。在终端测量方面,为完整地测量包括OAP在内的所有光学元件的波前畸变,保证波前探测器和变形镜的成像质量,在测量终端波前畸变时,将OAP及其后面的3个透镜组成两级4f缩束成像系统,将光束的直径缩小至3.3 mm,如图2(b)所示。

为降低测量光路引入的误差,将高光束质量光源(光纤耦合光源,波长为808 nm,单模光纤,光束质量因子M²接近1)作为参考光,对测量光路引入的畸变进行标定。对于放大器部分测量光路,采用扩束后的参考光,并保证参考光和主激光共线;对于终端聚焦部分的测量,则是将光纤激光器耦合输出点设置在OAP的焦点位置,以消除测量光路引入的畸变。

图 2. 波前测量光路示意图。(a)放大部分;(b) OAP部分

Fig. 2. Optical path schematics for wavefront measurement. (a) Amplification part; (b) OAP measurement

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4 激光系统链路波前演变及结果分析

衡量波前演变的主要参数为测量光束的波前相位峰谷(PV)差值、波前相位方均根(RMS)值、实际点扩展函数与无像差的理想点扩展函数比值——斯特列尔比(SR)值。其中:PV值和RMS值这两项参数具有相关性,且其大小可以直观地衡量波前质量;SR值用于衡量光束的集中度。

图 3. 激光系统各节点波前演变示意图

Fig. 3. Evolution of wavefront at nodes of laser system

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图3为激光系统各测量点的波前演变示意图。可以看出,PV值由前端小口径光斑处的0.243 μm上升至终端焦点处的3.338 μm,整体呈上升趋势。经35~65 mm扩束后(测量点5)的PV值小于软边光阑前(测量点4),这主要是因为经过软边光阑后,光束边缘得到优化。其后,150 mm钛宝石放大器一通(测量点6.1)的PV测量值低于测量点5处的测量值,这与钛宝石对主光束的补偿有关。PV值在65~115mm扩束出光位置(测量点7)之前,激光光束的PV值增幅比较缓慢,这是可能是因为在此之前的光学器件口径小于等于100 mm,镜片面形加工误差控制在1/10λ(PV值)以内。150 mm钛宝石多通放大器一通后(测量点8.1)PV值的增幅迅速增大,这是因为此时的光学器件对角线大于200 mm,相应的光学器件加工误差控制在1/6λ~1/8λ,光学镜片的面形加工误差累积使得激光脉冲波前在传输过程中逐级增大。此外,更大的光斑意味着所占据的光学器件表面积增大,也会引入更多的边缘畸变。从图3可以看到,经过130 mm DM的波前畸变值增幅较大,PV值由1.37 μm增加至2.33 μm,这是因为130 mm变形镜采用的是Bimorph结构,初始面形的PV值额外引入误差约为1.36 μm,但不影响它的波前校正功能。RMS值的变化范围为0.035~0.556 μm,SR值由0.94降至0,且变化规律与PV值保持基本一致。

此外,还通过泽尼克多项式的分解,提取出各个测量点的低阶像差:0°像散、45°像散、X轴彗差、Y轴彗差与球差进行分析,数据见表1。从表1数据可以直观地看出主光束通过各个节点后产生的畸变及具体像差。从整体来看,随着节点位置后移,PV值与RMS值逐渐上升,SR值则逐渐下降。例如,在测量点3,45°像散和X轴彗差的绝对值比测量点1和2的值要大很多,但是由于两者系数相反,且像差分布类似,能够相互补偿,从而导致其PV值、RMS值和前两个测量点相比只是略有上升。

5 220 mm钛宝石多通放大器波前演变及结果分析

目前,SULF系统中可实现10 PW的峰值功率的激光系统正在搭建。该系统在2019年要实现10 PW的峰值功率激光的放大输出,需在前期5.4 PW装置的基础上增加一级220 mm钛宝石主放大器。经过130 mm DM后,光斑直径扩束至180 mm,进入220 mm口径钛宝石多通放大器中放大。图1虚线框部分为220 mm口径钛宝石多通放大器。表2列出主激光逐级经过220 mm口径钛宝石放大器后的波前测量值,标号Ⅰ~Ⅳ分别对应115~180 mm扩束后和220 mm钛宝石放大器一~三通后的位置。可以看出,光束PV值由2.3448 μm减小到2.08 μm,RMS值由0.3192 μm 增加到0.2968 μm,说明220 mm口径钛宝石放大器多通放大器内存在着波前畸变补偿机制,导致最终输出的波前畸变量小于入射时的波前畸变量,因此220 mm口径钛宝石多通放大器引入的波前畸变量在可控范围内,未来可以采用变形镜进行校正。

从表2可以看出,220 mm钛宝石放大器一通及三通后的PV值及RMS值均小于前一节点的测量值,三通后的波前质量略优于入射前光路的波前质量,这与钛宝石放大器的补偿作用有关。从图4(a)可以看出,220 mm钛宝石正面存在两个相对的波峰;对比图4(b)、(c)可以看出,115~180 mm扩束后的相位分布存在左下角及右上角两个波谷,而在一通后对应位置处的波谷已不明显,可认为恰好被钛宝石透射面形两个波峰所补偿。补偿后整个相位面较一通前更均匀,故出现PV值与RMS值减小的现象;从图4(d)可以看出,由于二通后为反向透射钛宝石晶体,左下角波谷变得更加明显,导致其波前畸变量增加;从图4(e)可以看出,由于钛宝石晶体的进一步补偿作用,三通后的整个相位面较二通后的相位面更加平滑,导致波前畸变下降。

图 4. 相位分布图。(a) 220 mm钛宝石放大器的相位测试图;(b) 115~180 mm扩束后相位分布;(c)一通后相位分布;(d)二通后相位分布;(e)三通后相位分布

Fig. 4. Phase distributions. (a) Phase test pattern of 220 mm Ti∶sapphire amplifier; (b) phase distribution after 115-180 mm expansion; (c) phase distribution after one pass; (d) phase distribution after two pass; (e) phase distribution after three pass

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6 镜面装夹应力对波前的影响

在逐级测量系统波前的过程中,某些节点的波前质量显著降低。对比研究后发现,这主要是因为部分光学镜面安装后表面压块固定过紧,导致镜面的面形产生变化,从而对系统波前质量产生巨大影响。如主光束进入放置在150 mm口径钛宝石放大器前面的爬高镜后,波前畸变达到7.66 μm,其相位分布如图5(a)所示。经排查发现,由于爬高镜的反射镜被装夹得过紧,镜面产生不同的表面应力,从而在激光传输过程中产生较大的畸变量。经过改进后, PV值下降到1.025 μm,波前质量得到较大改善,其变化规律符合波前质量的整体演变趋势,如图5(b)所示。

图 5. 相位分布图对比。(a)调松压条前;(b)调松压条后

Fig. 5. Comparison of phase distributions. (a) Before adjusting strip; (b) after adjusting strip

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多通钛宝石放大器的调试过程中也存在该现象。在钛宝石多通放大器光路的前期调试时,其出光处PV值为2.88 μm,而前一测量节点PV值仅为1.2 μm,表明光束波前在此多通放大器处畸变量过大。经过排查,按每一通光路顺序调松反射镜压条并逐级测量 PV 值,成功将该节点的PV值降低至1.44 μm。

7 结论

逐级测量了SULF 10 PW系统中的波前相位,并对畸变产生原因及演变过程进行分析。在实际系统中,前端光斑尺寸小,小口径透镜面形精度高,均保证波前畸变在可接受范围内(PV值<0.5 μm)。随光束通过的光学器件数量的增多,光程增大,光斑口径增大,以及大口径镜面面形加工误差增大,边缘畸变显著提升,导致系统波前质量显著降低。当节点PV值>0.5 μm后,增长速度大幅上升,前后节点PV值增加量达到0.1~0.2 μm,并随节点位置后移,增长量进一步提升至0.25~1 μm。考虑到后期的聚焦要求,在畸变较大的150 mm钛宝石放大器后放置可变形镜进行校正,以使系统的波前畸变控制在合理范围。同时,讨论了控制光学镜面表面应力以降低波前畸变的过程,定量测定并分析钛宝石晶体对波前畸变的影响,证明了在一定条件下,光束的波前相位分布可以直观地反映出大口径钛宝石晶体的面形分布。整个系统的波前测量及对来源与演变的分析过程,对SULF 10 PW激光系统的光路搭建及优化、波前校正和提升聚焦功率密度具有一定参考价值。