數十焦耳量級、寬頻非共線光參量啁啾脈衝放大研究

《數十焦耳量級、寬頻非共線光參量啁啾脈衝放大研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由梁曉燕擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：數十焦耳量級、寬頻非共線光參量啁啾脈衝放大研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：梁曉燕
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

拍瓦乃至艾瓦級飛秒（fs）超強超快雷射在高能粒子加速、醫療、天文等多個領域具有不可替代的重要科學意義和套用價值，成為本領域研究熱點，引起高度關注。光參量啁啾脈衝放大（OPCPA）技術是目前實現高能量、寬頻放大，獲得具有上述性能雷射輸出的主要途徑之一,特別是對十拍瓦以上的雷射系統而言，OPCPA由於沒有寄生振盪效應具有獨特的優勢。本項目提出在800nm波段，基於LBO和YCOB晶體，開展527nm泵浦的寬頻、非共線OPCPA放大研究，重點研究放大過程中增益特性、光譜特性、色散特性、轉換效率和時空光束質量等影響高能量OPCPA放大和脈衝壓縮的主要性能，以基於鈦寶石晶體CPA放大鏈為前端，在800nm中心波段實現30-50J寬頻放大輸出，壓縮脈寬達到30fs左右，比較兩種晶體在上述放大過程的優缺點，使研究結果可外推到數百焦耳量級的OPCPA設計，為後續開展數十拍瓦乃至艾瓦級超強雷射研究奠定基礎。

結題摘要

超強超短雷射是目前人類已知的最亮光源，為光和物質相互作用研究提供了極端的物理實驗平台，主要套用於x射線的產生、r射線的產生、相對論自聚焦、高能電子和質子加速、中子和正電子的產生等等研究，是目前國際研究的前沿領域，在揭示微觀規律以及未來能源、國防等方面都具有潛在的意義。作為發展超強超短雷射的主要技術途徑之一，光參量啁啾脈衝放大技術（OPCPA）以其高增益、寬頻放大、無熱效應、無寄生振盪等優點，在發展超高功率、極短脈寬超強超短雷射中具有獨特的優勢。 本課題圍繞該領域的關鍵技術難題和預期目標，開展了基於中大口徑非線性光學晶體（LBO、YCOB）在527nm泵浦下、中心波段為800nm條件下的寬頻、高能量、高效率OPCPA研究，針對放大過程中輸出光束的輸出能量、轉換效率、光譜特性、光束空間分布以及光斑波前等關鍵性能，對影響上述性能的主要參數（包括泵浦強度、注入強度、晶體厚度）和相關效應（包括增益飽和、光譜畸變、參量逆過程、走離效應、非共線角精度等）進行理論模擬分析和實驗驗證，通過解決相關技術難題並最佳化和控制上述參數，基於100mm*100mm口徑的LBO晶體，採用非共線OPCPA結構，以自行研製的釹玻璃雷射倍頻輸出（527nm）為泵浦源，實現了45.3J的放大輸出，轉換效率26.3%，壓縮脈衝寬度32.0fs，峰值功率1.02 PW （PW，拍瓦，10的15次方瓦），達到當時同類裝置的最高輸出能力，首次實現PW量級的OPCPA放大輸出，圓滿完成了課題的預期指標，主要結果發表在Optica Letters, vol.40, 3412(2017)，其他相關研究結果發表在Optics Letters, Optics Express，Optics Communication等重要學術期刊。為後續開展基於OPCPA技術的百拍瓦級超強超短雷射裝置奠定了堅實的理論和技術基礎。