超快科学 | 100PW激光装置前端取得重要进展！

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导读

基于啁啾脉冲放大（CPA）技术，超强超短激光装置的峰值功率在过去数十年间已经从太瓦提高到了10拍瓦（1 PW=10¹⁵W）量级，并逐步走向重复频率工作模式。目前，100 PW量级激光装置的建设及其前沿应用也成为了当前的国际研究热点。然而面向更高峰值功率激光，现有的CPA技术进一步发展受到钛宝石晶体口径以及固有横向寄生激光效应等的限制。相比之下，基于大口径非线性晶体的光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）将成为实现100 PW峰值功率激光最可行技术方案之一。

最近，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究团队报道了极端光物理线站（Station of Extreme Light，SEL，是上海硬X射线自由电子激光装置项目中的重要内容）SEL-100 PW激光装置前端建设进展。该前端装置利用基于LBO晶体的三级OPCPA放大器，通过使用高信噪比宽带种子源注入，获得了大于200 nm的宽带放大。结合精密色散控制技术，获得了13.4 fs（1fs=10^-15s）压缩脉宽，实现了目前百太瓦量级OPCPA激光器中最窄脉宽输出。团队自研的重频泵浦源技术使该前端装置成为世界上首个工作在重频模式下的百太瓦量级（>250 TW / 0.1 Hz）OPCPA激光装置。

图1 SEL-100 PW装置0.1 Hz/200 TW级OPCPA前端示意图

引用格式（点击阅读原文）

Xinliang Wang, Xingyan Liu, Xiaoming Lu, Junchi Chen, Yingbin Long, Wenkai Li, Haidong Chen, Xun Chen, Peile Bai, Yanyan Li, Yujie Peng, Yanqi Liu, Fenxiang Wu, Cheng Wang, Zhaoyang Li, Yi Xu, Xiaoyan Liang, Yuxin Leng, Ruxin Li, "13.4 fs, 0.1 Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9894358, 8 pages, 2022.

基于啁啾脉冲放大（CPA）技术，超强超短激光装置的峰值功率在过去数十年间已经从太瓦提高到了10 PW（1PW=10¹⁵W）量级，并逐步走向重复频率工作模式。目前，100 PW量级激光装置的建设及其前沿应用也成为了当前的国际研究热点。如，美国罗切斯特大学的EP OPAL项目计划基于OPCPA方案，使用中心波长位于910 nm的DKDP晶体搭建一套75 PW激光器，2021年其技术开发平台通过使用70%氘化率的DKDP晶体实现了单发次运行的21.5 fs/350 TW输出指标。俄罗斯应用物理研究所（Institute of Applied Physics）也提出了XCELS（eXawatt Centre for Extreme Light Studies）项目，该项目期望搭建12路通道的中心波长位于910 nm的15 PW光束，并使用相干组束方案实现180 PW的输出，目前验证了基于DKDP晶体单发43 fs /560 TW输出指标。此外，2016年中国工程物理研究院完成基于全OPCPA技术路线的单发4.9 PW峰值功率输出，是目前基于OPCPA技术路线最高峰值功率。然而，目前已报道的100 TW或PW级OPCPA激光系统均为单发次运行模式，并且脉冲宽度约为20 fs。发展重频百太瓦乃至更高量级，脉宽小于15 fs的OPCPA装置依然面临巨大挑战。2018年，上海硬X射线自由电子激光装置项目（ SHINE）启动，其中一个重要组成部分是极端光物理线站（Station of Extreme Light，SEL），该线站将搭建一套100 PW级激光器（SEL-100 PW），与硬X射线自由激光（XFEL）结合，用于强激光驱动的量子电动力学效应方面研究。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室研究团队在SEL-100 PW装置前端装置建设方面取得突破。团队通过三级基于LBO晶体的非共线宽带OPCPA系统，结合自研的重频大能量泵浦源技术，成功实现了光谱宽度大于200nm，能量为5.26J，重频为0.1 Hz的放大脉冲输出。并通过宽带脉冲的精密色散控制，获得了13.4fs的压缩脉宽，可支持的最高脉冲峰值功率为263TW。相关研究成果以 "13.4 fs, 0.1 Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility"为题发表于Ultrafast Science。这也是继2002年，在国际上首次建成基于OPCPA新原理的小型化10太瓦级超短超强激光装置后,上海光机所在该领域取得的又一进展。

为了获得宽带光参量放大，团队采用了非共线相位匹配技术方案，并综合比较了BBO、LBO和DKDP这三种常用非线性晶体特性。在泵浦强度为1 GW/cm²时，三种晶体在925 nm中心波长下的宽带增益谱如图2所示。与BBO和DKDP（D=80%）相比，LBO具有合适的非线性系数（0.79 pm/V），口径可达100 mm、走离角最小（0.47 °）等特点，并且在925 nm中心波长附近具有最宽的增益光谱（202 nm，半高全宽）。此外，LBO晶体能够覆盖DKDP（D=80%）的增益光谱，从而确保SEL-100 PW前端的输出光谱可以完美地支持基于DKDP晶体的OPCPA终端放大器。

图2 BBO，LBO以及掺氘率80%的DKDP晶体在1GW/cm²光强下的增益谱

该前端采用双光栅展宽器对高信噪比种子光进行展宽，啁啾率为14.2 ps/nm。展宽后种子光注入三级基于LBO的OPCPA放大器。基于自行研制的25 J/0.1 Hz泵浦激光，最后得到5.26 J的宽带激光输出。图3(a)给出三级OPCPA放大器输出光谱，光谱全宽为210 nm。图3(b)-(e)对应后两级OPCPA泵浦以及信号光斑。

图3 (a)三级OPCPA放大光谱曲线。(b),(c)第二/三级OPCPA泵浦光斑; (d),(e)第二/三级OPCPA信号光斑

第三级OPCPA之后，放大的脉冲注入真空压缩器。利用OPCPA前端系统材料色散较小，双光栅展宽器与共轭压缩器的色散匹配等特性，在没有额外使用高阶色散补偿器件的情况下，仅通过优化压缩器中光栅对的距离和角度，团队获得了近傅里叶极限变换的压缩脉宽，典型的脉冲宽度为13.4 fs，如图4所示。由于真空压缩器传输效率为67%，因此该前端装置可以支持峰值功率263 TW、重频0.1 Hz的激光输出。

图4 脉冲脉宽数据

总结与展望

研究团队展示了上海光机所SEL-100 PW激光装置前端的建设进展以及激光性能。该前端是100 PW激光装置乃至硬X射线自由电子激光装置的重要组成部分，同时也是世界首个工作在重频模式、脉宽小于15 fs的百太瓦量级OPCPA激光系统。该前端研制成功后将为实现100 PW量级超高峰值功率激光输出所需的关键激光技术验证以及关键元器件测试提供了优良的平台，也为推动硬X射线自由电子激光装置极端光物理线站的建设及开放运行打下相关的技术基础。

作者介绍

第一作者：王新亮，中科院上海光机所副研究员，主要研究方向为超强超短激光技术。以第一/通讯作者在Ultrafast Science、Optics Express、Applied Optics等期刊发表研究论文8篇，入选上海市青年科技英才扬帆计划项目。

通讯作者：陆效明，中科院上海光机所副研究员，主要从事强场激光技术工作。以第一/通讯作者在Optics Letters、IEEE J SEL TOP QUANT、High Power Laser Science and Engineering等期刊发表研究论文多篇。

通讯作者：许毅，中科院上海光机所研究员，中科院青年创新促进会优秀会员。长期从事超强超短激光装置研制及关键技术研究。是国家重大科研仪器设备研制专项、上海超强超短激光实验装置（SULF）和SEL-100拍瓦大科学装置等重大科技项目的关键系统负责人。相继负责并完成了高性能重复频率的百太瓦级驱动激光装置、SULF-1拍瓦重频激光装置以及SEL-100拍瓦激光装置样机的研制。主持研制的高性能超强超短激光装置，已成功应用于激光粒子加速及次级辐射源产生等前沿研究领域，驱动支撑的多项突破性研究成果已相继发表在Nature（封面文章）, 595, 22 (2021) / Phys. Rev. Lett，126, 214801 (2021) / Phys. Rev. Lett（编辑推荐文章），117, 124801 (2016) 。近年来，以第一/通讯作者发表SCI论文20余篇，获授权发明专利10余项。

通讯作者：冷雨欣，研究员，主要从事超强超短激光技术及其前沿重要应用等方面的研究。目前主持中国科学院战略性先导科技专项(B类)项目“新型超强激光光场创立及其特性操控”等重要项目，并承担国家重大科技基础设施项目“上海超强超短激光实验装置”(SULF)和 “硬X射线自由电子激光装置”(SHINE)中的“极端光物理线站”(SEL)中的重要任务。在本领域国际重要SCI刊物上发表论文150余篇，获得授权发明专利40余项。曾获得国家科技进步奖一等奖（第四完成人）、上海市科技进步奖一等奖2项，2015年入选上海市领军人才计划，2018年入选上海市优秀学术带头人，2019年度获得基金委国家杰出青年科学基金项目基金资助，2019年入选国家百千万人才工程等。