超短超强激光装置中消色差技术的研究与进展 
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1 引言
超短超强激光装置广泛应用于惯性约束核聚变快点火、强场物理、激光等离子体等研究领域中。由于近年来超短脉冲激光技术的迅速发展,超短超强激光装置的规模越来越大,终端焦斑峰值功率密度的指标也越来越高。各国争相研制PW级乃至100 PW级的激光装置,如ELI-beams 10 PW装置、Apollon 10 PW装置、Vulcan 10 PW装置、Pearl 10 PW装置,以及上海的SULF 10 PW装置、SGII 5 PW装置与绵阳的CPEP 5 PW装置[1-11],目前终端焦斑功率密度可达到1021~1023 W/c
上述装置中,为避免光束传输与放大过程中功率密度过大造成元件损伤,激光脉冲需逐级扩束、分段放大。对于窄带放大装置,1975年,美国利弗莫尔实验室在高功率装置中使用了空间滤波器结构[15],利用多级空间滤波器结构实现光束的逐级扩束,各级空间滤波器间满足像传递模式,滤波器中用滤波小孔滤除高频光谱噪声以提高光束质量[16],该结构已发展成通用的高功率激光装置的扩束方式[17-18]。但由于透镜系统固有的材料色散,宽带激光脉冲经过透镜时会不可避免地产生色差,导致光束会聚到焦平面时,不同波长的焦距不相同,产生离焦色散(轴向色差)[19-20],且经过透镜不同径向位置的激光脉冲有不同的脉冲时间延迟(PTD)[21]。由于ps和fs量级的宽带超短超强激光装置谱宽较宽,色差随光束口径的增加会逐级累积,使激光在终端聚焦时产生严重的时空畸变,导致焦斑面积变大、峰值功率密度降低、脉冲时域脉宽变宽、信噪比降低[22-24]。带宽越宽,光束口径越大,由扩束透镜组累积色差造成的影响也越大。因此对于超短超强激光装置,如何控制消除装置的累积色差是一个关键问题。
本文介绍了国内外类似装置中解决色差问题的典型方案与技术路线,归纳总结了不同装置的优缺点,在此基础上,重点分析了应用于中国科学院上海光学精密机械研究所(下文简称上海光机所)高功率激光物理联合实验室SGII 5 PW装置中可动态精确预补偿装置色差的方案,实验证明该方案对终端远场光束质量改善效果明显。在SGII 5 PW装置的质子加速实验中,获得了超过16 MeV的质子产额(改善前为7 MeV)[25],2020年3月最新一轮实验中质子产额超过了23.3 MeV。
2 控制装置色差的主要技术路线与方案
PTD和终端离焦量[26]是衡量色差对光学装置影响的主要物理指标,装置累积色差会导致终端焦斑空间与时间能量分布不集中,聚焦功率密度急剧下降。传统多级空间滤波器逐级扩束方式中,后级透镜与光束口径一般比较大(大于100 mm),由较宽带宽(大于30 nm)引入的色差必然会影响终端焦斑的分布。Bor等[27-29]认为色差会导致脉冲前沿弯曲,光束聚焦时会导致脉冲宽度增加,这种类型的像差通常被称为PTD或纵向色差。还有一种像差是离焦弥散,不同波长的光会以不同的路径通过透镜系统,聚焦在不同的焦平面上。Heuck[28]、Bor[29]等对超短脉冲激光系统的色差展开了深入研究,根据Bor的理论,级联空间滤波器的PTD可表示为
式中,c为真空中光速,fi为空间滤波器各级透镜的焦距,ni为各级透镜的折射率,N为透镜的个数,λ为激光的中心波长,ri为光线与光轴的距离。由(1)式可知,光束口径越大,脉冲带宽越宽,透镜数越多,累积的PTD就越大。色差对小口径超短脉冲装置的影响一般可以忽略,但对于超短超强装置,后级扩束透镜的光束口径较大,引入的色差对焦斑影响也较大。
SGII 5 PW装置中,色差累积导致的PTD如
图 1. SGII 5 PW装置的色差。(a)空间滤波器累积色差导致的PTD;(b)色差导致的终端焦斑离散量
Fig. 1. Chromatic aberration of SGII 5 PW device. (a)PTD caused by accumulated chromatic aberration the spatial filter; (b) terminal focal spot dispersion caused by chromatic aberration
图 2. SGII 5 PW装置末端色差引起的波前偏离。(a) 858 nm波前;(b) 758 nm波前;(c)波前偏离量随镜片半径的变化
Fig. 2. Wave front deviation caused by chromatic aberration at the end of the SGII 5 PW device. (a) 858 nm wave front; (b) 758 nm wave front; (c) change in wave front deviation with lens radius
2.1 单元光学器件消色差技术
在超短超强激光装置中常见的色差补偿手段有两种:单元光学器件消色差方式与装置色差预补偿方式。
2.1.1 消色差透镜技术
传统方法通常用消色差透镜取代单透镜以消除色差[32-34],消色差透镜由两片不同材料制成的正负透镜贴合而成,在保证透镜焦距的同时消除了离焦色散。对于小口径光束,相应尺寸的消色差透镜设计加工技术已经成熟。但加工大口径消色差透镜比较困难,且价格高昂。此外,消色差透镜虽然可以消除离焦色散,但使用过多的消色差透镜会引入高阶色散,从而降低装置的整体性能[34,20]。
2.1.2 全反射激光扩束方式取代透射式扩束方式
美国Texas PW装置如
日本J-KAREN-P装置[37-38]的扩束系统采用反射式离轴扩束系统[39],该装置以离轴全反射方式对光束进行扩束,由一块离轴抛物凸面反射镜和一块离轴凹面反射镜组成,通过设计透镜的焦距与透镜间的距离d确定扩束比,如
图 4. 反射式离轴扩束系统。(a)原理图[39];(b)日本J-KAREN-P激光装置示意图[37]
Fig. 4. Mirror-based expander system. (a) Schematic diagram[39]; (b) device diagram of Japan J-KAREN-P facility[37]
2.2 光学装置色差预补偿技术
光学装置色差预补偿技术不要求对每个单元透镜的色差进行完全补偿,而是通过添加色差预补偿单元的方式校正装置色差,大大降低了装置成本。色差预补偿技术主要包括基于折射反射的预补偿技术、基于装置消色差透镜的预补偿技术和基于衍射效应的预补偿技术。
2.2.1 基于折射反射的色差预补偿技术
采用负透镜加反射元件组合的预补偿单元是色差预补偿的主要方式之一,主要包括:负透镜球面反射镜组合、负透镜离轴抛物面镜组合、Offner结构等。
Texas PW激光装置在钕玻璃多通放大器谐振腔内植入了色差补偿单元,包括一块双面凹透镜和非球面反射镜(RGD lens),如
罗切斯特大学LLE实验室的MTW-OPAL激光装置采用Offner结构色差补偿单元[41,20]。如
图 6. Offner结构色差补偿单元。(a)原理图;(b) MTW-OPAL整体结构[20]
Fig. 6. Chromatic aberration compensation unit of Offner structure. (a) Schematic diagram; (b) Sketch of MTW-OPAL facility [20]
MTW-OPAL装置的整体结构如
上海光机所的QG-200TW装置采用双面凹透镜和离轴抛物面反射镜组合的方式进行色差补偿[42],如
2.2.2 基于装置消色差透镜的色差预补偿技术
上海光机所的SULF 10 PW装置[43]与绵阳CAEP 5 PW装置中[44-45],均将末级空间滤波器的入射透镜替换为色差补偿透镜以减小装置色差。
绵阳CAEP 5 PW装置如
SULF 10 PW装置如
由于消色差透镜组中玻璃材料不同,材料折射率对波长的高阶偏导也不同,该方案中的初级色差可通过这种方式得到补偿,生成的终端焦斑功率密度指标均超过1022 W/c
2.2.3 基于衍射效应的色差预补偿技术
由于超短超强激光装置的光束口径较大(通常可达几十cm),装置累积的色差量比较大,而衍射器件与折射器件的色散特性相反,在较小口径可以得到较大的色散量,因此被广泛应用于无色差光学装置[42,46-47]设计中,用较小尺寸的衍射光器件就可以有效校正装置较大的色差累积量[48-50]。
法国PETEL激光装置采用衍射透镜和凹球面反射镜组合的方法校正装置色差,其装置放大部分如
罗切斯特大学的OMEGA EP激光装置在多通放大器内植入衍射透镜以校正全装置色差[49],该衍射透镜是将菲涅耳透镜嵌刻在凹透镜表面,如
中国工程物理研究院的XG-PW[50]激光装置前期也采用了与PETEL类似的结构。其补偿单元如
图 12. XG-PW激光装置放大链示意图及色差补偿单元[50]
Fig. 12. Optical schematic of amplification stage and PTD compensator of XG-PW[50]
基于衍射元件的色差预补偿单元目前只用于ps脉冲激光装置,尚未有用于fs激光装置的报道。衍射器件的衍射效率受限于激光脉冲带宽,对超宽带激光装置,衍射器件尽管能补偿装置中心波长的PTD,但难以完全补偿透射元件引入的离焦色散。此外,激光脉冲经过衍射器件衍射产生的中高频波前畸变[47-48]和鬼光束,也会影响光束质量。
在已报道的多种解决方案中,用于工程方案的方向(有工程实验报道并有物理打靶实验数据支持)主要有两种,一种是以Texas为代表,以全反射(无色差)扩束系统全面替代传统空间滤波器系统的方式;另一种是以SULF 10 PW为代表在适当口径位置以色差预补偿透镜替代传统透镜的方式。而衍射器件的补偿方式在工程方案中(尤其是fs装置)很少被采用,现有色差补偿单元的技术方案中,单元器件无色差的方式,后级大口径光学元件造价高且调节困难,且都是被动工作方式,无主动调节功能,很难准确补偿。
3 动态装置色差预补偿单元
基于SGII 5 PW装置[14,25],提出了一种可动态精确调节色差预补偿量的新装置。如
图 13. SGII 5 PW色差补偿单元[14,25]。(a)实验光路;(b)示意图
Fig. 13. Unit of the PTD compensator of SGII 5 PW[14,25]. (a) Optical layout; (b) schematic diagram
图 14. 色差补偿前后终端焦斑变化[14]。(a)补偿前焦斑;(b)补偿后焦斑;(c)补偿前横纵向空间分布;(d)补偿后焦斑横纵向空间分布
Fig. 14. Changes in the focal of the terminal before and after chromatic aberration compensation[14]. (a) Focal spot before compensation; (b) focal spot after compensation; (c) horizontal and longitudinal spatial distribution before compensation; (d) horizontal and longitudinal spatial distribution of focal spot after compensation
终端焦斑测量结果如
目前已报道的用于工程装置中并得到终端数据的成熟工程方案有两种,全反射方式与预补偿方式,衍射元件的色差预补偿单元在fs脉冲激光装置中还未见报道。Texas PW装置以全反射式替代了预补偿的结构;绵阳XG 5 PW前期,有用衍射元件补偿装置色差的报道,但在后续CAEP 5 PW装置工程方案中采用了色差透镜预补偿的方式。由于大口径光学元件的成本较高,未来在大型超短超强装置中采用预补偿单元的方式会更多、更加灵活。SGII 5 PW装置中,使用了双程色差动态精确可调的装置,能完全补偿装置色差,且成本低、体积小,在该领域内有望得到广泛应用。
4 结论
针对超短超强装置中传统扩束方式引入的装置色差较大问题,分析了国内外用于超短超强激光装置中消除色差影响的几个主要技术方案,总结了几种主要方案的优缺点。重点介绍了一种用于SGII 5 PW装置中可主动调节补偿色差量的技术方案,该方案可提供大动态范围内连续、精确可调的色差预补偿量,显著提高了装置的输出峰值功率密度。
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