輸出功率大于1太瓦,脈寬 小于1皮秒,可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超強超快激光的發(fā)展研究,是超強超快激光研究廣泛深入開展的基礎(chǔ)和推動力。
近十幾年來,由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, 簡稱CPA)技術(shù)的提出和應(yīng)用,寬帶激光晶體材料(如摻鈦藍(lán)寶石)的出現(xiàn),以及克爾透鏡鎖模技術(shù)的發(fā)明,使超強超快激光技術(shù)得到迅猛發(fā)展。小型化飛秒太瓦(1012瓦)甚至更高數(shù)量級的超強超快激光系統(tǒng)已在各國實驗室內(nèi)建成并發(fā)揮重要作用。最近,更短脈沖和更高功率的激光輸出,如直接由激光振蕩器產(chǎn)生的短于5飛秒的激光脈沖,小型化飛秒100太瓦級超強超快激光系統(tǒng),以及CPA技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦(1015瓦)級激光輸出已有報道,激光功率密度達(dá)到1019~1020瓦 /厘米2的超強超快激光與物質(zhì)相互作用研究也已開始進行。
傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大,而對超短激光脈沖來說,隨著能量的提高,其峰值功率將很快增加,并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng),從而限制了能量的進一步放大。
CPA技術(shù)的原理是,在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數(shù)量級,形成所謂的啁啾脈沖。這樣,在放大過程中,即使激光脈沖的能量增加很快,其峰值功率也可以維持在較低水平,從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng),保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長。當(dāng)能量達(dá)到飽和放大可獲得的能量之后,借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度,即可使峰值功率大大提高。
為了突破CPA技術(shù)的一些局限性,目前國際上正在積極探索發(fā)展新一代超強超快激光的新原理與新方法,如啁啾脈沖光學(xué)參量放大(OPCPA)原理,目標(biāo)是創(chuàng)造更強更快的強場超快極端物理條件,特別是獲得大于(等于)1021瓦/厘米2的可聚焦激光光強。OPCPA充分發(fā)揮了啁啾脈沖放大與光學(xué)參量放大各自的優(yōu)點,是國際上近年來提出的發(fā)展超強超快激光的全新技術(shù)途徑。
OPCPA原理目前還處于中等功率層次上的預(yù)研階段,但卻蘊涵著強大的生命力。此外,超強超快激光光束質(zhì)量的優(yōu)化、時空輪廓的整形與控制,周期脈寬小于10飛秒的超短激光脈沖的產(chǎn)生、有效放大與性能優(yōu)化,也是今后持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的主要方向。
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