10拍瓦级激光系统波前演变及分析


 

王建业, 郭震, 於亮红, 甘泽彪, 李文启, 梁晓燕. 10 PW级激光系统波前演变及分析[J]. 中国激光, 2019, 46(8): 0801006

超强超短激光具有的超快时间分辨率及超强峰值功率等独特优点,在诸多前沿科学领域及交叉学科中均能发挥显著作用。目前,世界上已有多个国家正在建设或已建成输出功率达到数拍瓦级的超强超短激光装置。伴随着聚焦技术的发展,通过合理的聚焦手段,拍瓦级激光装置的输出功率密度可以达到1022W/cm2,可在实验室环境中创造出前所未有的极端物理条件,使得对光与物质相互作用的研究范畴进入相对论光学领域,极大地促进了等离子体物理、核医学、高能粒子加速及反物质研究等强场物理研究方向的发展。

如何进一步提升超强超短激光装置的聚焦功率密度,也成为现今超强超短激光领域科研工作者的一大重要挑战。

图1 激光峰值功率随时间的变化趋势及在光与物质相互作用领域的应用示意图

波前畸变是影响拍瓦激光系统聚焦性能的重要因素。由于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,且光路传输距离较长,这些因素会引起光束波前畸变,并随光束在激光系统中传输而恶化,最终影响系统的聚焦性能。

因此研究拍瓦激光系统脉冲的波前畸变的产生及演变规律是开展波前校正实验的前提,对于拍瓦激光系统聚焦性能提升具有重要意义。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室梁晓燕研究员课题组基于上海超强超短激光装置(SULF),通过在光路各重要节点处测量对应的波前畸变值,对整个系统波前起源及演化过程进行研究,分析得出波前畸变的产生原因及演化规律;同时还对系统中其他影响波前畸变的重要因素进行分析讨论,具体包括镜面装夹应力、钛宝石晶体以及离轴抛物面镜调整姿态等因素对波前聚焦的影响,为SULF系统后期的波前校正及拍瓦激光装置聚焦性能提升的研究奠定了基础。

该课题组在SULF激光系统光路各重要节点处,搭建波前测量装置,逐级测量了激光系统的波前,对激光系统的波前畸变的种类、来源、演化情况、各分系统节点波前畸变局部增大的原因进行分析。在实际系统中,前端光斑尺寸小,小口径透镜面型精度高,均保证波前畸变在可接受范围内(PV值<0.5μm)。随光束通过光学器件增多,光程增大,光斑口径增大,及大口径镜面面型加工误差增大,边缘畸变显著提升,均导致系统波前恶化加剧。当节点PV值>0.5μm后,增长速度大幅上升,增加量达到0.1μm~0.2μm,并进一步提升至0.25μm~1μm。考虑后期的聚焦要求,在畸变较大的150mm钛宝石放大器后安置可变形镜进行校正可以使系统的波前畸变控制在合理范围。

图2 激光系统内各测量点的波前演变示意图

同时该课题组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,大口径钛宝石晶体的面型分布可以直接体现在光束的波前相位分布上。整个系统的波前测量及对来源与演变的分析过程,对SULF 10PW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。