910 nm波段超宽带种子源,向100 PW超强超短激光进发

摘要：中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用光学参量放大、充气空芯光纤展宽光谱结合倍频技术获得了主脉冲前10 ps内时域对比度超过10¹²、中心波长910 nm、全宽大于300 nm的超宽带种子源.

面向100 PW 的重大需求

超强超短激光作为科技重大前沿技术之一,引起了激光与物质相互作用研究者的极大兴趣,在激光加速、激光聚变、阿秒科学、原子分子物理学、材料科学、核物理学和天体物理学等诸多领域皆有重大应用价值.目前超强超短激光系统已经实现10 PW输出,对于100 PW的建设正在进行中.

基于钛宝石的超强超短激光系统因受到钛宝石尺寸的限制,无法支持100 PW及以上的放大；而1µm的钕玻璃激光系统,其脉冲宽度很难小于100 fs,因此想要达到100 PW激光脉冲需要非常高的能量支持.近来发现,光参量啁啾脉冲放大（optical parametric chirped pulse amplification, OPCPA）系统可以同时兼顾高能量和短脉冲宽度,磷酸二氢钾（deuterated potassium dihydrogen phosphate, DKDP）晶体的最大尺寸也可达400 mm以上,因此基于DKDP晶体的OPCPA是构建100 PW激光系统最有前景的备选方案之一.目前OPCPA所用的高能泵浦源,通常是基于钕玻璃放大激光器倍频后中心波长为527nm的光源,527 nm 泵浦DKDP晶体的最强增益带宽集中在910nm,因此,OPCPA系统的种子源中心波长也需集中在910nm附近,并且带宽大于200 nm以支持短脉宽.

超宽带与高对比度飞秒激光

近日,中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用三级光参量放大、空芯光纤光谱展宽结合倍频技术实现了中心波长910nm、光谱全宽覆盖300nm的信号光输出,并成功压缩到9.6fs (大约3个光周期),其时域对比度在主脉冲前10ps优于10¹².

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第1期的文章（Yanyan Li, Beijie Shao,Yujie Peng et al. Ultra-broadband pulse generation via hollow-core fiber compression and frequency doubling for ultra-intense lasers [J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 010000e5）

该激光种子源系统的结构如图１(a）所示,通过使用三级光参量放大和氩气填充的空芯光纤,获得中心波长为1.8 µm、光谱具有接近1 µm全带宽的脉冲激光.再使用级联BBO晶体进行倍频、通过熔融石英楔片对进行色散补偿后,可以产生9.6 fs（约3个周期）、单脉冲能量为150 µJ的脉冲,且脉冲波长中心位于910 nm,光谱全带宽超过300 nm.结果如图2（a）所示,Wizzler装置的反演光谱与测量真实光谱非常匹配,并且相位平坦.色散补偿后,测量的脉冲持续时间为9.6 fs,计算的傅里叶变换极限脉冲持续时间是9.0fs,如图2（b）所示.

图1 飞秒激光系统结构图（a）由三级光参量放大、充气空芯光纤及倍频构成光路；（b）-（d）各位置光斑情况.

图2 (a)实际测量光谱与Wizzler测量光谱与相位; (b)FROG测量反演光谱与实际光谱.

得益于倍频过程中的饱和效应,输出脉冲具有优异的功率稳定性和脉冲能量的波动性.倍频过程采用两块BBO晶体级联的方式,在不同相位匹配条件下,分别倍频短波成分和长波成分获得宽带放大,同时提升倍频效率.通过优化两块晶体的相位匹配条件以及厚度,可以获得300 nm宽带倍频光谱,总输出能量为150 µJ,倍频效率为38.5%.此外,由于光参量放大与倍频都属于二阶非线性效应,二阶非线性对脉冲时间对比度都有平方关系的提升,理论上两种方法结合能够使对比度提升到原脉冲的四次方,这对于其在超强和超短激光系统中的应用具有重要意义.但是由于饱和效应,脉冲峰值处的转化效率低于理论值,这是此方法无法达到理论值的主要原因.受限于脉冲能量以及设备测量极限,该种子源的对比度测量值为10¹²,但是结合后期OPCPA时域对比度可以达到10¹²,该种子源的时域对比度应该优于10¹².

总结与展望

这种超宽带、高对比度和稳定的超短激光具有巨大的应用潜力,可以成为超强超短激光的种子源,特别是用在基于DKDP晶体的100 PW光参量啁啾脉冲放大激光装置.