梁 彥, 謝興龍

(1.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 201800;2.上?？萍即髮W(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200120)

引言

世界上第一臺(tái)拍瓦(PW，1015W)激光由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)于1996年建成[1]，當(dāng)前在建或建成的超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)已經(jīng)超過了200臺(tái)，數(shù)太瓦(TW，1012W)到百太瓦量級(jí)的桌面小型化系統(tǒng)已達(dá)到商品化程度，世界范圍內(nèi)，已有十幾臺(tái)拍瓦量級(jí)的大型激光器正在建造中，若干亞艾瓦(EW，1018W)量級(jí)的多路巨型裝置也已設(shè)計(jì)完成。通常要建造拍瓦量級(jí)的激光器需要解決三大難題：高能量下的高負(fù)載通量問題；超短超強(qiáng)激光的能量放大與空間傳輸；以及高聚焦峰值功率密度所對(duì)應(yīng)的高信噪比問題。首先，激光系統(tǒng)高能量輸出的前提，是必須保證在過高的能流密度下不致破壞光學(xué)介質(zhì)；其次，在寬帶激光脈沖放大與傳輸中，由于增益窄化與頻移效應(yīng)導(dǎo)致的寬帶受限，會(huì)使得終端輸出脈沖脈寬增大；再次，針對(duì)高峰值聚焦功率密度作用下的物理實(shí)驗(yàn)，要求在特定的時(shí)間窗口內(nèi)，預(yù)脈沖或者前沿底座脈沖保持足夠低的水平，以防止在主脈沖到靶之前造成靶的破壞，到靶激光峰值功率越高，也要求越大的信號(hào)與噪聲能量比。激光器發(fā)展的初期，雖然通過采用一系列的技術(shù)可以使激光的脈寬持續(xù)壓窄，但高功率激光系統(tǒng)的峰值功率長期處于平臺(tái)期，對(duì)應(yīng)的可聚焦功率密度在1015W/cm2量級(jí)。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率密度達(dá)到GW/cm2時(shí)，光學(xué)介質(zhì)由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生了全尺度和小尺度的自聚焦，打壞了光學(xué)材料，非線性效應(yīng)可以用B積分來描述。

(1)

因此，常規(guī)的放大方法對(duì)超短脈沖來說是有困難的，其能量輸出能力也有限制。為解決上述問題，1985年，G.Mourou等人首先將雷達(dá)技術(shù)中的啁啾脈沖放大技術(shù)應(yīng)用到超短脈沖放大器中[2]。其原理如圖1所示。根據(jù)海森堡不確定原理，超短脈沖必然對(duì)應(yīng)于寬帶光譜，不同頻率的光行進(jìn)速度不同，而形成頻率掃描；而在時(shí)域內(nèi)，正常色散介質(zhì)中，長波成分行進(jìn)速度快于短波成分，從而形成脈沖的展寬，脈沖時(shí)間寬度的加長，可以從放大介質(zhì)中有效地提取更多能量，而又避免了高能量激光脈沖對(duì)放大器的損傷，因此，啁啾脈沖對(duì)于高貯能密度(1～10J/cm2)固體激光介質(zhì)特別有效。由于CPA技術(shù)不要求增加光束口徑來提高峰值功率，從而保證了激光系統(tǒng)的重復(fù)率，降低了造價(jià)，使整個(gè)激光裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊，增強(qiáng)了高功率激光系統(tǒng)的普及和應(yīng)用。因此，幾乎所有太瓦級(jí)以上峰值功率的激光系統(tǒng)均采用了CPA技術(shù)。CPA技術(shù)的出現(xiàn)和不斷成熟，以及新型激光材料的創(chuàng)新發(fā)明及其加工工藝的完善，快速促進(jìn)了超短超強(qiáng)激光裝置的建造。

圖1 啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)原理圖

高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)輸出能力以及關(guān)鍵技術(shù)提出了越來越嚴(yán)苛的要求，研究人員發(fā)現(xiàn)基于量子實(shí)能級(jí)結(jié)構(gòu)材料的CPA技術(shù)在具體應(yīng)用中存在的一些問題，如增益窄化效應(yīng)、光譜漂移、熱透鏡畸變、放大自發(fā)輻射和非線性B積分等的影響，越來越嚴(yán)重地影響到系統(tǒng)的整體性能，限制了激光脈沖峰值功率、信噪比以及光束質(zhì)量的進(jìn)一步提高。針對(duì)上述問題，A.Dubieties等人于1992年提出了光參量啁啾脈沖放大技術(shù)(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification,OPCPA)的全新概念，又一次突破了限制高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的諸多技術(shù)瓶頸[3]。OPCPA是結(jié)合CPA和OPA各自優(yōu)點(diǎn)的一種全新技術(shù)，其原理是先將作為信號(hào)光的飛秒種子脈沖展寬成納秒量級(jí)的啁啾脈沖，將該啁啾脈沖與納秒抽運(yùn)光脈沖同時(shí)注入基于非線性晶體的參量放大器，在晶體中發(fā)生三波混頻并實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。該技術(shù)有著明顯的四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，在很短的晶體上可以實(shí)現(xiàn)很高的能量與功率增益；其二，通過恰當(dāng)?shù)钠ヅ浞绞脚c非線性晶體選擇，可以實(shí)現(xiàn)高增益條件下的超寬帶放大(>100nm)；其三，參量放大器僅在泵浦光的脈沖寬度內(nèi)有增益，故放大后信號(hào)光脈沖的本底較CPA放大器小很多；其四，OPCPA過程的熱沉積很小，放大脈沖的熱相位畸變也很小，可以將全系統(tǒng)B積分限制在極低水平。

CPA和OPCPA的發(fā)展使得高功率激光的輸出峰值功率從過去的MW、GW提高到現(xiàn)在的TW、PW水平，并使得高功率激光裝置的高性能運(yùn)行成為可能。I.N.Ross在1997年對(duì)OPCPA的原理進(jìn)行了詳盡的描述[4]，并且預(yù)言通過OPCPA放大可以達(dá)到10PW的功率輸出能力。2006年，英國Vulcan激光器在其一束基頻能量為350J的基礎(chǔ)上，經(jīng)過整形和倍頻之后獲得泵浦光總能量約為150J，建立了以LBO和KDP晶體為光參量放大介質(zhì)的全OPCPA系統(tǒng)[5]。輸出信號(hào)光能量為35J，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了25%的轉(zhuǎn)換效率和1011的高增益，而且該系統(tǒng)光參量放大過程完整地放大了70nm光譜范圍，經(jīng)不完全壓縮之后得到了84fs超短脈沖輸出。從而驗(yàn)證了OPCPA系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性，也證實(shí)了OPCPA技術(shù)在拍瓦級(jí)高功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。目前在建或者已經(jīng)建成的超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)中，都或多或少采用了OPCPA技術(shù)方案[6-11]。

本文將對(duì)高功率超短脈沖激光系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)和理論進(jìn)行簡單的介紹，可以為超短脈沖激光系統(tǒng)的研究和對(duì)超短脈沖激光器感興趣的研究人員提供參考。

1 超短脈沖激光在介質(zhì)中的傳輸

超短光脈沖在介質(zhì)中傳輸時(shí)，與激光強(qiáng)度有關(guān)的非線性折射率用表達(dá)式(2)所描述。

Δn=n-n0=n2I(t)

(2)

其中n0為介質(zhì)的折射率，n2為非線性系數(shù)，I為激光強(qiáng)度。傳輸過程中的附加相位為

Δφ(t)=kLΔn(t)=kLn2I(t)

(3)

式中，k光波矢，L為介質(zhì)長度。由相位變化導(dǎo)致的瞬時(shí)頻率為

ω(t)=ω0(t)+Δω(t)

(4)

(5)

式中，ω0(t)為載波中心瞬時(shí)頻率，Δω(t)為自相位調(diào)制效應(yīng)所引起的附加頻率，即非線性啁啾效應(yīng)，描述如下：

(6)

自相位調(diào)制效應(yīng)使光譜加寬，宏觀效應(yīng)就是激光脈沖額外變寬。早期CPA技術(shù)正是利用了超短脈沖在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)來獲得其啁啾特征，實(shí)現(xiàn)超短脈沖脈寬展寬。當(dāng)高功率激光脈沖在單模光纖中傳播時(shí)，將會(huì)經(jīng)歷自相位調(diào)制(SPM)和群速度色散(Group Velocity Dispersion，GVD)。自相位調(diào)制導(dǎo)致脈沖光譜展寬，在正色散單模光纖介質(zhì)中傳播時(shí)，超短脈沖的高頻即藍(lán)移部分比低頻即紅移部分經(jīng)歷的時(shí)間要長，SPM和GVD同時(shí)對(duì)超短脈沖作用，導(dǎo)致脈沖時(shí)域展寬。超短脈沖在單模光纖中傳輸時(shí)，脈沖包絡(luò)振幅滿足非線性薛定諤方程：

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其中，T為脈沖局域時(shí)間，z為傳輸介質(zhì)的歸一化長度，γ為非線性系數(shù)，β2為群速度色散系數(shù)，α為損耗因子。

2 脈沖的展寬和壓縮

圖2 平行光柵對(duì)脈沖壓縮器[12]Figure 2 Compressor composed of a pair of parallel gratings

超短脈沖激光系統(tǒng)中，對(duì)激光脈沖的展寬和壓縮總是同時(shí)存在的，并且它們的作用相反。展寬器主要是提供正色散使脈沖在時(shí)域上得到展寬，而壓縮器就是用來提供負(fù)色散以補(bǔ)償展寬器和放大過程中的正色散，從而使展寬放大后的脈沖在時(shí)域上壓縮，并將輸出脈沖峰值功率提高到期望值。提供負(fù)色散的壓縮器一般使用Treacy設(shè)計(jì)的平行光柵對(duì)脈沖壓縮器，圖2展示了平行光柵對(duì)脈沖壓縮器的色散功能[12]。

啁啾脈沖從光柵G1入射，經(jīng)過光柵G1的衍射作用，不同波長的光譜成分在衍射面上展開。一級(jí)衍射角θ與光譜成分的波長λ有關(guān)，其大小由光柵衍射公式?jīng)Q定：

sinγ+sinθ(λ)=Nλ

(8)

其中，γ為啁啾脈沖的入射角，θ(λ)為啁啾脈沖一級(jí)衍射光線與入射光線的夾角，N為光柵的線密度，λ為波長。光柵G1將啁啾脈沖一級(jí)衍射到光柵G2上，光柵G2對(duì)被光柵G1衍射的啁啾脈沖的光譜成分進(jìn)行校準(zhǔn)，最后從光柵G2平行出射。知道了平行光柵對(duì)之間的垂直距離G，入射角γ，以及光柵常數(shù)d，可以算出光脈沖經(jīng)過壓縮器后，任何波長處的色散量。在壓縮器的設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)量非常重要，那就是啁啾率，即單位波長內(nèi)的壓縮量，它決定了壓縮器所能提供的色散量的大小。假設(shè)τ為時(shí)間延遲，則：

(9)

式中λ0為中心波長，b0為中心波長處的光柵斜距。

早期的脈沖展寬采用光纖來進(jìn)行，由于其損耗過高、色散匹配困難等缺點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代初發(fā)明了一種透射式的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。這種方法首先在一個(gè)光柵對(duì)之間放置一個(gè)4f共焦系統(tǒng)，第一塊光柵經(jīng)過4f成像系統(tǒng)所成的像和第二個(gè)光柵形成一個(gè)虛的平行光柵對(duì)，控制像和第二個(gè)光柵之間的距離在光學(xué)上為負(fù)值時(shí)，色散符號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)。這種方法理論上可以實(shí)現(xiàn)展寬器和壓縮器的理想匹配。旁軸近似下，二者可以用同樣的色散方程表示，只是前面的符號(hào)相反。

為了直觀地得到種子脈沖經(jīng)過展寬器展寬后的脈沖寬度，假設(shè)入射種子脈沖為理想的高斯脈沖，定義x=0處為輸入輸出平面，則在輸入平面上輸入展寬器中的含時(shí)振幅表達(dá)式可以寫為：

(10)

式中τ為高斯脈沖的半高全寬(FWHM)，ω0為其中心角頻率，對(duì)于初始無啁啾脈沖，則經(jīng)過展寬器之后，脈沖的半高全寬為

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(12)

3 光參量啁啾脈沖放大

光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)通過光參量匹配實(shí)現(xiàn)光能量從泵浦光到信號(hào)光的耦合轉(zhuǎn)換，原理上完全不同于增益介質(zhì)內(nèi)部通過實(shí)現(xiàn)高低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和諧振腔選模放大過程，是光放大過程的一種全新手段。OPCPA結(jié)合了OPA放大技術(shù)優(yōu)勢和CPA時(shí)域展寬降低峰值功率的思想，因此比傳統(tǒng)意義的CPA技術(shù)更為優(yōu)越。不僅在世界各大高能皮秒拍瓦激光器中多有應(yīng)用，更是在建和計(jì)劃建造的用以研究強(qiáng)場激光物理的幾十拍瓦高功率激光器(如ELI、PEARL、Vulcan等)的主要技術(shù)手段。結(jié)構(gòu)上，單純的OPCPA裝置主要包括信號(hào)光種子源、泵浦源、展寬器、非線性晶體、壓縮五個(gè)部分，附屬相應(yīng)的同步控制裝置、色散控制系統(tǒng)、信噪比控制系統(tǒng)等。從功能上講，OPCPA包括展寬、參量放大(OPA)和壓縮過程。

OPCPA技術(shù)中，非共線相位匹配(NOPA，Non-collinear Optical Parametric Amplification)是目前應(yīng)用最為有效的超寬帶相位匹配技術(shù)，它與共線相位匹配的差別只在于信號(hào)光與泵浦光的夾角，因此共線相位匹配可以作為非共線相位匹配的一種特殊情況來對(duì)待。以目前常用的LBO晶體為例，如圖3所示，假定OPCPA放大工作在XOZ主平面內(nèi)，匹配方式為一類：e1+e1→e2，考慮緩變近似下的耦合波方程為[13]

圖3 負(fù)雙軸晶體XOZ主平面內(nèi)三波混頻波矢關(guān)系與自定義坐標(biāo)系，泵浦光與主軸坐標(biāo)系Z軸夾角為θ，泵浦光與信號(hào)光的非共線夾角為α，信號(hào)光與閑置光夾角為β。自定義坐標(biāo)系以泵浦光的波矢方向?yàn)閦軸正方向，主軸坐標(biāo)軸Y為自定義坐標(biāo)軸y重合，主軸坐標(biāo)軸X與自定義坐標(biāo)軸x夾角為θ。

Figure 3 Relationship between three main plane and custom coordinate system of negative biaxial crystal, the angle between the pump light and the Z axis of main shaft is theta, the noncollinear angle between the pump light and signal light is alpha, the angle between signal light and idler light is beta. The custom coordinate system takes the wave vector direction of the pump light as the positive direction of the z axis, the principal axis Y coordinate with the custom coordinate axis y, and the angle between the principal axis X and the custom coordinate system axis x is theta.

(13)

耦合波方程組左邊表示三波隨z軸的變化，右邊中第一項(xiàng)對(duì)于信號(hào)光和閑置光表示傳播方向、對(duì)于泵浦光表示走離效應(yīng)，右邊第二項(xiàng)表示三波在處置與傳播方向上的衍射效應(yīng)，第一項(xiàng)和第二項(xiàng)都屬于線性傳輸項(xiàng)，體現(xiàn)了三波空間傳輸過程，彼此之間并無關(guān)聯(lián)；非線性項(xiàng)是代表能量在三波之間的傳遞，其取值大小和正負(fù)隨著z軸變化，體現(xiàn)了“此消彼長”的耦合意義。在自定義坐標(biāo)系xyz中，沿z軸傳播的準(zhǔn)單色初始信號(hào)光、閑置光和泵浦光電場為

(14)

空間相位因子表達(dá)式：

(15)

(16)

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方程化簡為

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非線性過程求解的方程和解分別是

(19)

耦合波方程線性項(xiàng)在空間頻域內(nèi)的表示和解為

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對(duì)于幾十飛秒到幾百飛秒量級(jí)的超短脈沖的OPCPA過程模擬，包括展寬，放大，壓縮三個(gè)過程，只能進(jìn)行一維時(shí)域的分析建模。這是因?yàn)檫泵}沖納秒級(jí)的脈寬決定了時(shí)域取樣點(diǎn)的范圍很大，而種子脈沖幾十飛秒級(jí)的脈寬決定了取樣步長只能處于幾個(gè)飛秒的量級(jí)，這兩者的差距導(dǎo)致采樣點(diǎn)數(shù)量龐大。另外，幾個(gè)飛秒的取樣步長所決定的頻域?qū)挾纫呀?jīng)達(dá)到泵浦光與信號(hào)光中心頻率之差，降低了計(jì)算過程的穩(wěn)定性。

4 大口徑光柵

高功率超短激光裝置需要輸出超短(皮秒或飛秒)、大能量(百焦以上)的超短脈沖，要求壓縮器用到的光柵必須具備高損傷閾值、大物理尺寸和高衍射效率等特點(diǎn)。目前應(yīng)用于高功率超短脈沖脈沖壓縮的衍射光柵有兩類：金屬光柵和多層介質(zhì)膜光柵。

金屬光柵是利用全息技術(shù)在光刻膠上周期性地鍍上高反射率的金屬膜(通常為金和鋁)，通常利特羅角附近入射時(shí)的一階衍射效率在90%-95%之間。但是這種光柵由于金屬的歐姆損耗等原因，在皮秒脈沖作用下，損傷閾值僅為0.2J/cm2左右，極大地限制了激光系統(tǒng)的輸出功率。

多層介質(zhì)膜光柵由基底、高反射率介質(zhì)膜系和頂層周期性光柵刻線構(gòu)成。利特羅角附近入射時(shí)一階衍射效率通?？梢赃_(dá)到95%-98%之間。由于透明介質(zhì)對(duì)激光的吸收遠(yuǎn)小于金屬材料，而且也比金屬表面更難于電離，因此多層介質(zhì)膜光柵具有比鍍金全息光柵更高的損傷閾值，在皮秒脈沖作用下可以達(dá)到1.2J/cm2。目前對(duì)高能拍瓦激光系統(tǒng)而言，最大的問題是如何制造更大尺寸的壓縮光柵，這涉及到多個(gè)層面的技術(shù)和工藝問題。

5 大口徑非線性晶體

大口徑非線性晶體是超短脈沖激光放大鏈路中的最基本的核心元器件。大口徑非線性晶體的關(guān)鍵技術(shù)包括：晶體生長技術(shù)、晶體加工技術(shù)、晶體鍍膜技術(shù)、晶體裝夾技術(shù)、晶體在線調(diào)試技術(shù)等五個(gè)方面。高質(zhì)量高性能的非線性晶體需要具備如下基本的光學(xué)、機(jī)械與化學(xué)性能特征，且要求生長周期短、生長口徑大、非線性系數(shù)高、透過波段與工作波段光譜范圍大、大口徑內(nèi)光學(xué)均勻性高、晶體機(jī)械加工性能好、不易潮解、破壞閾值高、熱沉積小等方面。因此，用于激光系統(tǒng)的晶體會(huì)具有如下工作參數(shù)：大的有效非線性系數(shù)(高倍率功率增益)、超寬帶增益光譜(支持超短脈沖壓縮)、大接收角(易于裝調(diào)與穩(wěn)定輸出)、高負(fù)載通量(適用于高能主放大器的增益介質(zhì))。

圖4 不同摻氘率DKDP晶體的透過率曲線Figure 4 Transmittance curves of DKDP with different deuterium doped ratios

當(dāng)前開展的超短超強(qiáng)激光裝置研制集中在808nm波段、910nm波段與1053nm波段，分別對(duì)應(yīng)的主放大器非線性晶體與摻雜玻璃包括：無機(jī)非線性晶體如高摻氘率DKDP、LBO、YCOB晶體與鈦寶石晶體，中等摻氘率的DKDP晶體，混合釹玻璃等三類。嚴(yán)格意義上講，如果非線性晶體的尺寸以滿足1PW(30J/30fs)輸出能力為標(biāo)準(zhǔn)，則當(dāng)前可用的大口徑(>50mm)晶體僅有三種：DKDP晶體、LBO晶體與YCOB晶體。

DKDP為氘化磷酸二氫鉀，化學(xué)式為KD2PO4，英文名稱Potassium Dideuterium Phosphate，激光誘導(dǎo)體損傷閾值很高，當(dāng)前可切割晶體口徑400mm量級(jí)。在不同含氘量條件下，透過率曲線如圖4所示。

DKDP色散方程，不同參考書給出的色散方程以及參考資料不同。其透過范圍0.2-2.1μm，線性吸收系數(shù)、雙光子吸收系數(shù)可以參考V.G.Dmitriev的《非線性光學(xué)晶體手冊(cè)》。不同含氘量DKDP晶體的色散方程表達(dá)式為

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LBO為三硼酸鋰，化學(xué)式為LiB3O5，英文名稱Lithium Triborate，負(fù)光性雙軸晶體，點(diǎn)群mm2，密度2.47g/cm3，莫氏硬度6，以0計(jì)透過波段0.155～3.2μm，1053nm/1.3ns波段激光誘導(dǎo)體損傷閾值很大>18.4GW/cm2，當(dāng)前生長口徑150mm。色散方程為

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YCOB晶體，學(xué)名為三硼酸氧鈣釔，化學(xué)式為YCa4O(BO3)3，英文名稱yttrium calcium oxyborate，負(fù)光性雙軸晶體，點(diǎn)群mmm。目前YCOB晶體可以切割出截面大于10cmX10cm的晶片板。YCOB晶體具有良好的光熱性質(zhì)，使其不僅可以應(yīng)用于單脈沖高能高功率系統(tǒng)，也可以在重復(fù)頻率10Hz激光系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)平均功率千瓦特(kW)輸出。YCOB晶體的內(nèi)部損傷閾值要低于表面損傷閾值，在1064/532nm波段對(duì)3ns脈寬的脈沖，體破壞閾值為4-5J/cm2；對(duì)于表面損傷閾值，10ns脈寬的1064nm激光脈沖，其破壞閾值為15J/cm2，對(duì)相同脈寬的532nm十階超高斯脈沖，破壞閾值為10J/cm2。

圖5 YCOB晶體透過譜Figure 5 The spectral transmittance curve of YCOB crystal

2010年，在Texas大學(xué)拍瓦激光系統(tǒng)的前端預(yù)放大器中[14]，利用口徑為25mm×30mm×15mm的兩塊YCOB晶體在1053nm波段，在商用532nm泵浦源且能量4J的OPA放大器中實(shí)現(xiàn)脈沖能量自45mJ放大到>1J(穩(wěn)定運(yùn)行700mJ)的輸出。最終經(jīng)過混合玻璃放大實(shí)現(xiàn)1.1PW[15]。2011年高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)808nm波段的OPA特征進(jìn)行了理論分析[15]。2012年，我國強(qiáng)場激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用口徑63mm*68mm*23mm的YCOB晶體獲得焦耳級(jí)OPA輸出[16]。YCOB晶體具有很大的透過譜(200nm-2500nm)，如圖5所示[17]。

色散方程為(λ：μm；T=293K，354.7nm< λ <1907.9nm)。

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6 信噪比提升技術(shù)

對(duì)于提高信噪比的方法，目前已經(jīng)研究的措施有很多，如等離子體鏡、雙通共焦放大、雙啁啾脈沖放大(DCPA)、強(qiáng)度相關(guān)偏振旋轉(zhuǎn)和OPCPA等。選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)用在大型激光裝置上，既提高信噪比又不影響其他性能，還需要更多的研究和實(shí)踐。

6.1 等離子體鏡技術(shù)

等離子體鏡(Plasma Mirror,PM)技術(shù)是在系統(tǒng)終端的有效提升高功率激光信噪比的方法，其原理為：當(dāng)一定強(qiáng)度的短脈沖激光入射到透明光學(xué)介質(zhì)材料，小于臨界功率密度的邊緣噪聲光透射出去，但是大于臨界功率密度的脈沖前沿會(huì)在基片表面產(chǎn)生等離子體；當(dāng)?shù)入x子體的密度超過臨界電子密度后，入射介質(zhì)將從高透射材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿瓷洳牧?，使得激光的中心脈沖被反射[18]。

等離子體鏡改善超短超強(qiáng)脈沖信噪比的研究分為兩個(gè)領(lǐng)域著手：1)研究材料產(chǎn)生的等離子體對(duì)激光的反射率及輸出激光的信噪比提升層次；2)研究強(qiáng)光入射產(chǎn)生的等離子體對(duì)反射光束的光束質(zhì)量影響程度。

圖6 等離子體鏡提高信噪比的原理圖(左)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(右)[19]

1994年，D.M.Gold將616nm/130fs的激光脈沖經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后得到1016W/cm2的功率密度，以布魯斯特角入射到基片上，實(shí)驗(yàn)原理如圖6中左圖所示，實(shí)驗(yàn)中得到了等離子體對(duì)激光脈沖反射效率達(dá)到50%，而底片的初始反射效率為0.1%，輸出脈沖的信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度比為625：1，其結(jié)果如圖6中右圖所示[19]。除此在等離子體鏡對(duì)光束質(zhì)量影響的研究中，發(fā)現(xiàn)等離子體鏡對(duì)反射光束的空間特性有優(yōu)化作用，實(shí)現(xiàn)了光束勻滑效果，結(jié)果如圖7 (b)所示。

圖7 等離子體鏡對(duì)光束的空間濾波作用[19]

圖8 等離子體鏡實(shí)驗(yàn)光路圖(上左)、遠(yuǎn)場結(jié)構(gòu)(上右)、反射率隨功率密度的變化曲線(下左)、等離子體對(duì)信噪比的改善效果圖(下右)

Figure 8 Upper left: experimental light path of plasma mirror Upper right: spot far filed structure Lower left: curve of reflectance with power density Lower right: effect of plasma on improving signal to noise ratio

2002年，B.Dromey等人對(duì)處于近場和遠(yuǎn)場位置處的等離子體鏡進(jìn)行了研究[20,21]。圖8給出了文獻(xiàn)[21]中的實(shí)驗(yàn)光路圖、等離子體鏡表面反射率隨功率密度的變化曲線圖、遠(yuǎn)場圖像以及信噪比改善曲線，從圖中可以看出：等離子體鏡可以將脈沖的信噪比提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。

隨著激光功率的進(jìn)一步提高，有時(shí)激光脈沖前沿的聚焦功率就可以達(dá)到1018W/cm2，這時(shí)等離子體將提前表現(xiàn)出鏡子的效應(yīng)，反射預(yù)脈沖?？茖W(xué)家們針對(duì)此問題提出雙等離子體鏡或者級(jí)聯(lián)等離子體鏡結(jié)構(gòu)來改善入射激光脈沖的信噪比。

2007年，A.Lévy等人在10TW的激光器輸出端上間距4cm平行放置兩個(gè)等離子體鏡，如圖9中左圖所示，基片使用了BK7材料[22]。具體的雙等離子體鏡、單等離子體鏡對(duì)提高信噪比的效果曲線見圖10所示，經(jīng)過等離子體鏡后，脈沖激光的空間分布見圖9中右圖所示。

圖9 雙等離子體鏡結(jié)構(gòu)圖(左)以及實(shí)驗(yàn)后的空間分布(右)[22]

總之，目前國際上對(duì)等離子體鏡技術(shù)的研究主要集中在以下三個(gè)方面：

(1)對(duì)等離子體鏡的制作材料有一定要求，首先材料要具有更高的電離閾值，才能滿足高功率激光預(yù)脈沖被透射的要求，其次初始透過率要很高；

(2)對(duì)入射位置和角度的研究，重點(diǎn)在于不同情況下等離子體鏡對(duì)光束質(zhì)量的影響，以及反射效率對(duì)入射位置和角度的依賴關(guān)系；

(3)多個(gè)等離子體鏡的級(jí)聯(lián)使用技術(shù)，隨著激光功率的進(jìn)一步發(fā)展，單等離子體鏡將不能有效濾除噪聲，優(yōu)化光束質(zhì)量，需要采用級(jí)聯(lián)等離子體鏡提高輸出脈沖的信噪比。

這三個(gè)方面的共同目的，就是通過這些研究揭示等離子體鏡技術(shù)的基本物理內(nèi)涵，掌握相關(guān)參數(shù)，并最終達(dá)到實(shí)用化。

6.2 雙共焦多通放大技術(shù)

雙共焦多通放大(Double-Confocal Multipass Amplifier)技術(shù)采用兩個(gè)共焦的多通放大器對(duì)振蕩器產(chǎn)生的激光脈沖進(jìn)行有效的放大，實(shí)現(xiàn)高信噪比、高光束質(zhì)量的脈沖輸出。

文獻(xiàn)[23]中J.Wojtkiewicz和C.G.Durfee建立了一套高信噪比、高光束質(zhì)量的雙共焦多通的鈦寶石激光放大系統(tǒng)，該系統(tǒng)能產(chǎn)生10mJ的能量輸出，該放大器的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，其壓縮的輸出光束的M2因子達(dá)到1.15，通過使用可飽和吸收體，輸出脈沖的信噪比達(dá)到109。

圖10 雙等離子體鏡、單等離子體鏡對(duì)提高信噪比的效果曲線[22]

Figure 10 The effect of double plasma mirror and single plasma mirror on improving the signal-noise-ratio

圖11 雙共焦多通放大器結(jié)構(gòu)示意圖[23]

Figure 11 Schematic diagram of dual-confocal multipass amplifier structure

6.3 雙啁啾脈沖放大技術(shù)

雙啁啾脈沖放大(Double Chirped Pulse Amplification,DCPA)技術(shù)采用兩個(gè)CPA聯(lián)合起來一起使用，文獻(xiàn)[24,25]中提出的DCPA裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示，從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)在第一個(gè)CPA之后放置了一個(gè)非線性濾波器，其目的為將疊加在主脈沖中的ASE信號(hào)濾除掉，濾除效果見圖13所示，從圖中可以看出，ASE信號(hào)得到有效濾除。經(jīng)過濾除之后純凈的脈沖進(jìn)入第二個(gè)CPA再次進(jìn)行放大，從而得到高信噪比的脈沖輸出，文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖13所示，從圖中可以看出，采用DCPA技術(shù)相對(duì)單CPA技術(shù)，信噪比提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，使系統(tǒng)最終的對(duì)比度輸出達(dá)到1010。

圖12 DCPA實(shí)驗(yàn)裝置圖[25]

圖13 DCPA對(duì)信噪比改善的效果圖

6.4 強(qiáng)度相關(guān)偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)

強(qiáng)度相關(guān)偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)是提高信噪比的有效手段。文獻(xiàn)[26,27]中分別在實(shí)驗(yàn)中采用了該技術(shù)，都取得了良好的效果，這項(xiàng)技術(shù)最常見的是交叉偏振波產(chǎn)生(cross-polarized wave,XPW)技術(shù)[28,29]，該技術(shù)對(duì)信噪比的提高效果非常明顯，為當(dāng)前高功率激光系統(tǒng)前端預(yù)放大器普遍采用[30]。

圖14為中國科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極光-III”裝置中采用的XPW技術(shù)提高信噪比的實(shí)驗(yàn)光路圖，該實(shí)驗(yàn)達(dá)到良好的效果，信噪比從105提高到107(如圖15所示)，證明了XPW技術(shù)確實(shí)能有效地提高飛秒超強(qiáng)激光的信噪比。

圖14 XPW濾波實(shí)驗(yàn)光路圖

M1 and M2 are wideband total reflectors with a 45 degree tilt；P1 and P2 are a pair of Gran Prisms placed orthogonal to each other；F1 and F2 are positive lenses with focal lengths of 800mm and 200mm respectively

7 總結(jié)

本文綜述了超短超強(qiáng)脈沖激光系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，包括展寬器、壓縮器、超短脈沖傳輸中的非線性效應(yīng)、激光系統(tǒng)的相關(guān)單元以及全局化的信噪比問題，可以為了解高功率超短超強(qiáng)脈沖和相關(guān)方面的科學(xué)研究提供參考。

圖15 XPW濾波前后的光譜(a)及皮秒量程內(nèi)的信噪比比較(b)