上海光機所10PW級超強超短激光研究取得進展

　　中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室最近在拍瓦（千萬億瓦,PW）超強超短激光研究方面取得重要進展。拍瓦超強超短激光能在實驗室內創造出前所未有的超強電磁場、超高能量密度和超快時間尺度綜合性極端物理條件，在激光加速、激光聚變、阿秒科學、天體物理、核物理、高能物理、原子分子物理、核醫學等領域具有重大應用價值，是國際激光科技競爭前沿之一。國際上多個國家提出了大型超強超短激光裝置研究計劃，其中，Extreme Light Infrastructure （ELI）計劃被歐盟納入其大科學裝置發展路線圖，目標是發展200PW級超強超短激光裝置，并計劃于2017年建成10PW超強超短激光用戶裝置，開創激光與物質相互作用研究與應用的新時代。英國和法國也正在開展10PW超強超短激光裝置的研制工作。美、俄、日本等國也紛紛提出了各自的200PW級超強超短激光裝置研究計劃。

　　上海光機所強場激光物理國家重點實驗室基于在超強超短激光領域二十余年的研究積累與技術基礎，正在研制10PW級超強超短激光裝置。該裝置以高對比度啁啾脈沖放大鏈和光學參量啁啾脈沖終端放大器相結合的混合放大器方案為總體技術路線，利用了啁啾脈沖放大技術（CPA）的高穩定性和高轉換效率，以及光學參量啁啾脈沖放大技術（OPCPA）的無橫向寄生振蕩、無熱效應、B積分小等優點，充分發揮CPA和OPCPA兩種激光放大技術的優勢，2013年首次在實驗上驗證了CPA/OPCPA混合放大器方案[Optics Letters 38,4837,(2013)],實現0.61PW激光脈沖輸出，2014年10月又進一步將輸出能力升級到1PW。這是目前國際上基于OPCPA放大器獲得的最高激光脈沖能量和最高峰值功率，驗證了CPA/OPCPA混合放大器作為10PW級超強超短激光裝置總體技術路線的可行性。

　　該激光裝置主要包括基于鈦寶石晶體的800nm波段寬帶高信噪比CPA放大鏈、基于三硼酸鋰（LBO）晶體的OPCPA終端放大器和激光脈沖壓縮器等幾個模塊。高信噪比CPA前端采用交叉偏振波脈沖凈化（XPW）技術，將激光脈沖的信噪比提高到10-11量級，經CPA多通放大到數焦耳量級后，注入到終端OPCPA放大器中，采用口徑為100mm×100mm的LBO晶體和非共線相位匹配模式，在脈沖能量為169J的時空近平頂分布的釹玻璃倍頻激光泵浦下，通過優化泵浦光和信號光的注入條件，最終獲得45.3J的放大輸出，轉換效率接近27%，放大光譜全寬約80nm，壓縮脈寬為32.0fs，壓縮后單脈沖能量32.6J，對應峰值功率1.0PW。該結果表明基于LBO的OPCPA放大器能夠在800nm附近、大口徑、高通量下實現寬帶、高轉換效率的放大，為基于CPA/OPCPA混合放大技術路線的10PW超強超短激光裝置的研制奠定了堅實的技術基礎。

　　上海光機所10PW超強超短激光研究方面取得的進展引起國際同行學術界的高度重視，近來被邀請在多個著名國際學術會議，如The 9th Asia Pacific Laser Symposium （APLS 2014），The 23th Annual Laser Physics Workshop （Lasphys 2014），Advanced Solid State Lasers (ASSL 2014) 和 The 11th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim（CLEO/PR 2015）發表大會報告（Plenary talks）。

　　該項研究采用的大口徑LBO晶體由中科院理化技術研究所研制，釹玻璃激光泵浦源的研制得到了上海光機所高功率激光物理聯合實驗室和高功率激光單元技術研發中心的幫助，大口徑寬帶介質膜由上海光機所中科院強激光材料重點實驗室提供。該項研究得到了國家“863”計劃、國家“973”計劃、國家自然科學基金會和國家科技部國家重點實驗室專項等的支持。

　　圖1. OPCPA主放大器輸出隨泵浦能量的變化曲線

　　圖2. 壓縮后激光脈沖波形