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獨(dú)家報(bào)道

全二極管泵浦的固態(tài)激光系統(tǒng)POLARIS新應(yīng)用

來(lái)源:上光所2015-01-14 我要評(píng)論(0 )   

目前,全二極管泵浦的固態(tài)激光系統(tǒng)POLARIS可以輸出4J能量、144fs脈寬和針對(duì)自發(fā)輻射放大(ASE)的超高時(shí)間對(duì)比度51012的激光脈沖。

 目前,全二極管泵浦的固態(tài)激光系統(tǒng)POLARIS可以輸出4J能量、144fs脈寬和針對(duì)自發(fā)輻射放大(ASE)的超高時(shí)間對(duì)比度51012的激光脈沖。其中用到了被稱(chēng)作雙啁啾脈沖放大的方案和交叉偏振波產(chǎn)生的脈沖清理。通過(guò)緊聚焦,峰值功率將超過(guò)3.5*10^20Wcm-2。這些參數(shù)使得POLARIS系統(tǒng)注定成為一個(gè)非常適合復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)工具,比如測(cè)量加速質(zhì)子的能量。最近新的放大器已添加到已有的激光串級(jí)中。該階段,此放大器輸出的脈沖還未壓縮也還未達(dá)到預(yù)期值。即使如此,16.6J的輸出能量已經(jīng)達(dá)到。

  基于啁啾脈沖放大(CPA)的激光系統(tǒng),其輸出功率已到達(dá)太瓦甚至拍瓦量級(jí),聚焦光強(qiáng)超過(guò)了10^22Wcm-2。這已被廣泛用于研究激光與物質(zhì)相互作用。這一領(lǐng)域過(guò)去三十年的迅猛發(fā)展表明激光的脈寬、能量和時(shí)間強(qiáng)度對(duì)比度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重大影響。特別引入注意的實(shí)驗(yàn)包括電子、離子加速和激光產(chǎn)生X光,高能物理和激光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子成像。目前世界上對(duì)高能密度現(xiàn)象感興趣的小組所依賴(lài)的裝置都是直接或間接用閃燈泵浦。同時(shí)過(guò)去十幾年用全二極管泵浦的激光系統(tǒng)(DPSSL)來(lái)產(chǎn)生高能飛秒或皮秒激光脈沖的方案也得到了大力的研究。最常用的Yb3+摻雜的放大介質(zhì)已經(jīng)被用在能量超過(guò)10焦耳的納秒激光脈沖放大。比如最近公布的LUCIA項(xiàng)目(Yb:YAG,14焦耳),DIPOLE項(xiàng)目(Yb:YAG,10焦耳)和MERCURY項(xiàng)目(Yb:S-FAP,55焦耳)。進(jìn)一步,全世界許多項(xiàng)目都開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)高能量量級(jí)的DPSSL(HECDPSSL)。

  在德國(guó)耶拿的赫姆霍茲光學(xué)與量子電子學(xué)研究所,POLARIS激光系統(tǒng)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并服役了過(guò)去幾十年。日常的工作也正式開(kāi)始。過(guò)去兩年內(nèi)在試驗(yàn)項(xiàng)目中,多達(dá)16000發(fā)已經(jīng)打到靶材上。POLARIS項(xiàng)目在1999年都已經(jīng)開(kāi)始,當(dāng)時(shí)是為了開(kāi)發(fā)高能密度的HECDPSSL來(lái)用于激光物質(zhì)相互作用的試驗(yàn)中。POLARIS目前的主要參數(shù)是:1030納米的中心波長(zhǎng),高達(dá)6.5焦耳的脈沖能量(到達(dá)靶材上有4焦耳),144飛秒的脈沖時(shí)間,7.1平方微米的聚焦尺寸和5*10^12的自輻射放大(ASE)的時(shí)域?qū)Ρ榷取T谶@些參數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)可以得到3.5*10^20Wcm-2的峰值強(qiáng)度。據(jù)我們所知,POLARIS是目前最高功率和強(qiáng)度的二極管泵浦的激光系統(tǒng)。但激光系統(tǒng)仍在不斷開(kāi)發(fā)以進(jìn)一步增加脈沖能量、減小脈沖時(shí)間和更好地滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。本文中我們描述了POLARIS的架構(gòu),包括最近才服役的A5放大器和才安裝的展寬-壓縮系統(tǒng)(雙CPA)。在一級(jí)CPA放大后,脈沖被用來(lái)產(chǎn)生交叉極化波(XPW)從而顯著提高了時(shí)間強(qiáng)度的對(duì)比度。進(jìn)一步,給出了脈沖在被放大、壓縮和聚焦后的時(shí)域、空間特性。該激光系統(tǒng)在峰值強(qiáng)度、時(shí)域?qū)Ρ榷群兔}沖穩(wěn)定性方面都最終適合高能量密度實(shí)驗(yàn)。

  1. POLARIS激光的架構(gòu)

  圖1給出了POLARIS激光系統(tǒng)的概述。系統(tǒng)采用了兩級(jí)CPA單元和六個(gè)放大平臺(tái)來(lái)放大激光脈沖。脈沖壓縮后在一個(gè)輻射防護(hù)掩體和靶室腔來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光鏈的種子脈沖是用商用(Coherent MIRA 900)的鎖模鈦寶石振蕩器產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)在1030納米、脈沖能量在7納焦耳、譜寬(FWHM)為20納米的脈沖。在進(jìn)入第一個(gè)再生放大器時(shí),脈沖的時(shí)域已經(jīng)被展寬到20皮秒。A1放大器將脈沖能量增加到2毫焦耳。之后脈沖在進(jìn)入BaF2晶體做成的非線性XPW過(guò)濾器前再次被壓縮到130飛秒。對(duì)比度清洗后的脈沖被第二個(gè)展寬器再次展寬到2.5納秒的時(shí)域?qū)挾?,并被第二個(gè)再生放大器A2進(jìn)一步放大至30毫焦耳的能量。而放大至焦耳量級(jí)是有一個(gè)中繼成像放大器(A2.5:輸出能量200毫焦耳)和兩個(gè)多次往返的非成像放大器(A3:輸出能量800毫焦耳和A4:輸出能量6.5焦耳)來(lái)完成。所有這些放大器都采用摻Y(jié)b3+氟磷酸作為活性介質(zhì)材料。被放大的脈沖要么被送到主壓縮器中,要么用作最終放大器A5的種子源。最后一級(jí)放大器采用Yb:CaF2在九路配置中作為活性介質(zhì)。目前其可以輸出的最大能力為16.6焦耳(種子光能量為2.7焦耳)。這級(jí)放大器的活性物質(zhì)使用120個(gè)激光二極管堆棧來(lái)泵浦,每一堆棧可以以300kW功率泵浦入940納米的2.5毫秒長(zhǎng)的泵浦脈沖。A5放大器的壓縮和聚焦束線目前正在開(kāi)發(fā),并將很快完成。這里給出的所有實(shí)驗(yàn),頂多只使用了A4放大器輸出的光。為了提高光束的聚焦度,脈沖在拼接光柵壓縮器壓縮后通過(guò)了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。使用f/2拋物鏡聚焦到靶室腔內(nèi),可以得到3.5*10^20Wcm-2的峰值強(qiáng)度。


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固態(tài)激光POLARIS全二極管泵浦
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