高能量重複頻率釹玻璃雷射器的熱效應實驗研究

2020-11-24 騰訊網

超強超短雷射具有廣泛的應用前景，是當今國際科技競爭重大前沿領域之一。啁啾脈衝放大（CPA）和光學參量啁啾脈衝放大（OPCPA）是目前獲得超強超短雷射脈衝的兩大技術途徑，其中CPA技術具有轉換效率高、輸出穩定可靠、對泵浦源要求較低等優點，是研製數拍瓦甚至10PW雷射用戶的首選方案。上海光機所承建的「上海超強超短雷射裝置」（SULF）採用CPA技術路線，結合了高對比度預放大前端與終端大口徑鈦寶石啁啾脈衝放大器，在2017年底率先實現了國際上首例峰值功率為10PW量級的雷射脈衝輸出。

在SULF 10PW雷射原型裝置中採用大口徑釹玻璃片狀放大器泵浦終端鈦寶石晶體，實際實驗中終端鈦寶石放大器的泵浦-信號轉換效率相對較低只有約32%。泵浦源系統兩小時一發的重複頻率導致整個雷射系統性能難以進行有效優化，同時也影響了該系統用於服務物理實驗的運行效率。因此，上海光機所在SULF 10PW雷射用戶裝置系統中採用了時域多脈衝泵浦的技術方案解決上述兩個問題。

時域多脈衝泵浦方案將原單路高能量的泵浦脈衝替換為多臺百焦耳重複頻率釹玻璃雷射器輸出的泵浦小脈衝，以此達到主動控制鈦寶石多通放大器每一程中橫向增益的目的。每臺百焦耳重複頻率釹玻璃雷射器由兩個放大鏈路組成，每路放大鏈由兩級Φ10mm口徑棒狀Nd:YLF放大器、兩級Φ25mm口徑釹玻璃棒狀放大器以及兩級Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器組成。種子源為輸出波長1053nm、單脈衝能量3mJ、脈衝寬度16ns、頻率1Hz的種子光，經過多次像傳遞擴束及能量放大，最終單路放大器鏈輸出的基頻光單脈衝能量約為80J，兩路基頻光偏振合束後通過二類LBO倍頻器最終輸出能量約為100J的倍頻光，釹玻璃雷射器結構圖如下圖所示。

圖1 百焦耳重複頻率釹玻璃雷射器三維結構圖

泵浦源系統的能量穩定性對於超強超短雷射裝置至關重要，實驗針對雷射器在不同重複頻率條件下工作所產生的熱致波前畸變進行測量，以此確定能夠使系統穩定安全工作的重複頻率。熱效應實驗採用波前探測儀進行測量，用其測量出的PtV和RMS值可反映出光束質量受熱效應影響的大小。

熱效應實驗分別在一分鐘一發、兩分鐘一發以及三分鐘一發的重複頻率下對釹玻璃雷射器進行測量，實驗發現在一分鐘一發的重複頻率下PtV和RMS值隨著工作時間增加不斷提升，且在工作僅數發之後光斑出現了劣化，之後在兩分鐘一發的重複頻率下PtV和RMS值在工作約20分鐘後趨於穩定，但在工作約40分鐘後出現光斑劣化。最終在三分鐘一發的重複頻率下釹玻璃雷射器可實現穩定地連續運轉，PtV和RMS值統計結果如下圖所示，雷射器輸出的倍頻光脈衝能量穩定，光斑均勻呈近平頂分布，可用於安全地泵浦主放大光路中的大口徑鈦寶石晶體。

圖2 PtV和RMS值統計

目前泵浦源系統能夠安全地運轉於三分鐘一發的條件下，未來為了進一步提升百焦耳泵浦雷射器的重複頻率，將會針對Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器的水冷系統結構進行改進，最終將會使得重複頻率提升至一分鐘一發。（撰稿：楊思達，甘澤彪）

來源：高功率雷射科學與工程

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