飞秒超强激光概述

基于啁啾脉冲放大技术（CPA）的飞秒超强激光由于极高的峰值功率及对应的超强聚焦光强，可以在飞秒量级的瞬时时间内产生远高于原子内场的电场强度，因此可以用来开展激光粒子加速、实验室天体物理、光核反应等大量从未触及的物理前沿，已成为目前创新能力强劲的热点学科。图1为CPA的原理图，基本结构由产生飞秒种子脉冲的锁模激光振荡器、展宽种子脉冲为啁啾脉冲的展宽器、能量放大器及与展宽器色散相反的脉冲压缩器组成。图2为CPA发明后人们所能得到的激光强度发展图及所能开展的研究领域（引自G.Mourou的报告）。ELI为目前欧洲在建的全世界最高峰值的超强飞秒激光装置。

“极光XL”系列飞秒超强激光的发展

由于飞秒超强激光的重要应用，我们从1997年起在物理所开始了飞秒超强激光技术的研究，利用此前多年在该领域所积累的基础及经验，从设计搭建飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器开始，通过整形激光光谱、自变焦放大、抑制寄生振荡等创新的单元技术，先后研制成功峰值功率大于1TW(1TW=10¹²W)、20TW和350TW的“极光(XL)”系列装置，有力支持了激光等离子通道、超热电子产生等研究。

 

近年来，针对这类研究普遍面临的高对比度放大难题，我们进一步提出并采用飞秒参量放大与双啁啾脉冲放大相结合的新方案，在增强前级放大输出脉冲对比度的基础上，研制成功对比度达10^-10量级、峰值功率达1.16PW（1PW=10¹⁵W）的飞秒超强激光，不仅有效解决了对比度的问题，还创造了该类研究当时的最高峰值功率。图4为整体光路图。目前利用该装置已进行了大尺寸团簇电子加速、飞秒激光驱动的质子加速等应用研究，并开始提供国内外相关用户使用。

亚10飞秒钛宝石振荡器

采用全啁啾镜补偿腔内色散设计，我们从锁模钛宝石激光振荡器直接产生了小于10fs的稳定激光脉冲，并已实现产品转化。不仅作为飞秒放大激光的种子源，通过预补偿放大中的增益窄化支持短脉冲压缩结果，而且也成功用于光学频率梳。

对比度提升单元及展宽器

采用与泵浦光零同步的飞秒参量放大设计，经两级BBO放大后，将800nm主脉冲的对比度增强到了10^-11量级。展宽器结构（上）及展宽脉冲的测量结果（下）。

能量放大器

采用钕玻璃激光输出的105J绿光激光泵浦末级放大器，在解决寄生振荡等问题的基础上，放大激光输出能量达48.6J，20分钟一发。

啁啾放大压缩器