近期,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超強(qiáng)超短激光相干合束壓縮新技術(shù)方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了利用毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)大能量超短脈沖的相干合束以及后壓縮,首次驗(yàn)證了相干合束壓縮(Combination and Compression,C+C)的激光峰值功率提升技術(shù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《光子學(xué)研究》(Photonics Research)。
超強(qiáng)超短激光的出現(xiàn)與持續(xù)迅猛發(fā)展,為人類提供了前所未有的全新實(shí)驗(yàn)手段與極端物理?xiàng)l件。超強(qiáng)超短激光在激光加速、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、等離子體物理、天體物理、高核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。目前,利用啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)10 PW級(jí)的峰值功率輸出。但受限于增益材料的尺寸以及系統(tǒng)光學(xué)元件的損傷閾值,單路CPA輸出功率的進(jìn)一步提升成為了瓶頸,急需發(fā)展后CPA時(shí)代的峰值功率提升新方案。
研究團(tuán)隊(duì)基于前期已建立的國際領(lǐng)先的中紅外激光技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)[Opt. Lett. 43, 2197 (2018); Photon. Res. 8, 421 (2020)],在實(shí)驗(yàn)上首次開展了相干合束壓縮(C+C)的峰值功率提升技術(shù)演示。中紅外激光脈沖由于其波長(zhǎng)長(zhǎng),因此其合束的相對(duì)相位的穩(wěn)定性更高,更不容易受外部因素的影響。研究人員將兩路光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)輸出的大能量中紅外飛秒激光同步注入充滿惰性氣體的毛細(xì)管內(nèi),利用自相位調(diào)制光譜展寬原理,實(shí)現(xiàn)了峰值功率的顯著提升(相比單路注入峰值功率提升7倍)。同時(shí),由于毛細(xì)管的模式選擇效應(yīng),這種方法有效解決的了傳統(tǒng)相干合束引起的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑調(diào)制,獲得了近完美的輸出光束質(zhì)量。研究人員還進(jìn)一步驗(yàn)證了輸出激光的時(shí)空相干性,證實(shí)了該合束方案的有效性。
所演示的“C+C”技術(shù)方案可以進(jìn)一步擴(kuò)展到4路以及更多路激光合束,為超強(qiáng)超短激光峰值功率的進(jìn)一步提升提供一種有效手段。同時(shí)所發(fā)展的大能量周期量級(jí)中紅外超強(qiáng)超短激光為強(qiáng)場(chǎng)物理研究提供了一種高效的工具,將極大地推動(dòng)相關(guān)前沿領(lǐng)域的發(fā)展。
超強(qiáng)超短激光相干合束示意圖
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