上海光机所研制成功5拍瓦超强超短激光放大系统

作者: 我国军情  发布:2019-11-09

  中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室日前在超强超短激光研究领域取得重要进展。正在研制的10PW(千万亿瓦,拍瓦)级超强超短激光装置,实现了1PW激光脉冲输出,这是国际上基于光学参量啁啾脉冲放大器首次1PW激光峰值功率大关,验证了啁啾脉冲放大链(CPA)与光学参量啁啾脉冲终端放大器(OPCPA)相结合的混合放大器方案作为10PW级超强超短激光装置总体技术路线的可行性。

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研制成功5拍瓦(1拍瓦=1015瓦)超强超短激光放大系统,这是迄今国际最高峰值功率的激光放大系统,为研制10拍瓦超强超短激光装置奠定了重要的技术基础。相关研究成果作为亮点文章发表于国际光学期刊Optics Letters[Vol.40, 5011-5014]。

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  据介绍,拍瓦超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在激光加速、激光聚变、核医学等领域有重大应用价值,是国际激光科技竞争前沿之一,多个国家已提出了大型超强超短激光装置研究计划。

拍瓦级超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在台式化加速器、阿秒科学、超快化学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域有重大应用价值,国际上多个国家投入巨资和人力大力发展超强超短激光装置,展开激烈竞争。欧盟2012年正式启动ELI计划,投入总经费8.5亿欧元,目标是建立数台10拍瓦超强超短激光用户装置。英国和法国也正在研制类似的10拍瓦超强超短激光装置。美国、俄罗斯、日本、韩国等也提出了10拍瓦乃至更高量级峰值功率的超强超短激光装置研究计划。今年9月底法国Apollon(名字来自希腊神话中的阿波罗太阳神)激光项目启动。据悉,该项目确定的第一个里程碑是在2017年实现5拍瓦,并争取于2018年实现10拍瓦输出。

  中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室最近研制成功5拍瓦(1拍瓦=1千万亿瓦)超强超短激光放大系统,这是迄今国际最高峰值功率的激光放大系统,为研制10拍瓦超强超短激光装置奠定了重要的技术基础。相关研究成果发表于《光学快报》。

  上海光机所的激光装置主要包括基于钛宝石晶体的800纳米波段宽带高信噪比CPA放大链、基于三硼酸锂晶体的OPCPA终端放大器和激光脉冲压缩器等几个模块。最终获得45.3J的放大输出,转换效率接近27%,放大光谱全宽约80纳米,压缩脉宽为32.0fs,压缩后单脉冲能量32.6J,对应峰值功率1.0PW。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究人员基于钛宝石晶体和啁啾脉冲放大技术,解决了寄生振荡抑制等核心科技问题,于2013年研制成功2拍瓦超强超短激光放大系统,为当时国际最高峰值功率的激光放大系统。近年又进一步发展了新型主动寄生振荡抑制技术,采用150毫米口径钛宝石晶体作为放大介质,首次实现了百焦耳以上能量水平的宽带激光放大输出。对输出激光光束取样压缩后脉冲宽度为27飞秒,压缩器效率72%,若采用大口径压缩器则可获得5.13拍瓦脉冲输出。该激光放大系统是目前国际最高峰值功率的激光放大系统。大口径高增益钛宝石放大器寄生振荡抑制技术的成功突破,为研制基于钛宝石CPA放大的10拍瓦激光装置奠定了重要的技术基础。

  研究人员基于钛宝石晶体和啁啾脉冲放大(CPA)技术,于2013年研制成功2拍瓦超强超短激光放大系统,为当时国际最高峰值功率的激光放大系统。随后又首次实现了百焦耳以上能量水平的宽带(70纳米)激光放大输出。该激光放大系统是目前国际最高峰值功率的激光放大系统。大口径高增益钛宝石放大器寄生振荡抑制技术的成功突破,为研制基于钛宝石CPA放大的10拍瓦激光装置奠定了重要的技术基础。

该激光系统采用基于钛宝石晶体的800纳米波段宽带CPA结构。高信噪比CPA前端采用交叉偏振波脉冲净化技术,将激光脉冲的信噪比提高到10-11量级,经CPA多通放大到35焦耳量级后,注入到采用直径为150毫米的钛宝石晶体的终端大口径CPA放大器中,通过精密控制泵浦光与信号光的时间同步精度,以及双路泵浦光的同步延时,并优化泵浦激光脉冲和信号激光脉冲的强度,有效抑制了高能量泵浦下,大口径钛宝石晶体中的寄生振荡效应,在脉冲能量为312焦耳的钕玻璃倍频激光泵浦下,获得192.3焦耳的放大输出,转换效率超过50%。

  据介绍,该激光系统采用基于钛宝石晶体的 800纳米波段宽带CPA结构。高信噪比CPA前端采用交叉偏振波(XPW)脉冲净化技术,将激光脉冲的信噪比提高到10~11量级,经CPA多通放大到 35焦耳量级后,注入到采用直径为150毫米的钛宝石晶体的终端大口径CPA放大器中,优化泵浦激光脉冲和信号激光脉冲的强度,有效抑制了高能量泵浦下,大口径钛宝石晶体中的寄生振荡效应,在脉冲能量为312焦耳的钕玻璃倍频激光泵浦下,获得192.3焦耳的放大输出,转换率超过50%。

这项研究进展得到国际同行学术界的高度关注,上海光机所研究员李儒新此前应邀在第十一届环太平洋激光与电光国际会议上发表大会报告,介绍这一重要研究成果。李儒新表示,超强超短激光用户装置的建设已被列入上海市建设具有全球影响力的科技创新中心的战略部署,未来将作为上海张江综合性国家科学中心打造高度集聚的世界级重大科技基础设施群的重要组成部分。

  上海光机所研究员李儒新表示,超强超短激光用户装置的建设已被列入上海市建设具有全球影响力的科技创新中心的战略部署,未来将作为上海张江综合性国家科学中心打造高度集聚的世界级重大科技基础设施群的重要组成部分。 (来源:《中国科学报》)

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