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高能量重复频率钕玻璃激光器的热效应实验研究

发布:RuiChaoDong    |    2020-11-16 00:56    阅读:720
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超强超短激光具有广泛的应用前景,是当今国际科技竞争重大前沿领域之一。啁啾脉冲放大(CPA)和光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)是目前获得超强超短激光脉冲的两大技术途径,其中CPA技术具有转换效率高、输出稳定可靠、对泵浦源要求较低等优点,是研制数拍瓦甚至10PW激光用户的首选方案。上海光机所承建的“上海超强超短激光装置”(SULF)采用CPA技术路线,结合了高对比度预放大前端与终端大口径钛宝石啁啾脉冲放大器,在2017年底率先实现了国际上首例峰值功率为10PW量级的激光脉冲输出。

       在SULF 10PW激光原型装置中采用大口径钕玻璃片状放大器泵浦终端钛宝石晶体,实际实验中终端钛宝石放大器的泵浦-信号转换效率相对较低只有约32%。泵浦源系统两小时一发的重复频率导致整个激光系统性能难以进行有效优化,同时也影响了该系统用于服务物理实验的运行效率。因此,上海光机所在SULF 10PW激光用户装置系统中采用了时域多脉冲泵浦的技术方案解决上述两个问题。

       时域多脉冲泵浦方案将原单路高能量的泵浦脉冲替换为多台百焦耳重复频率钕玻璃激光器输出的泵浦小脉冲,以此达到主动控制钛宝石多通放大器每一程中横向增益的目的。每台百焦耳重复频率钕玻璃激光器由两个放大链路组成,每路放大链由两级Φ10mm口径棒状Nd:YLF放大器、两级Φ25mm口径钕玻璃棒状放大器以及两级Φ50mm口径钕玻璃棒状放大器组成。种子源为输出波长1053nm、单脉冲能量3mJ、脉冲宽度16ns、频率1Hz的种子光,经过多次像传递扩束及能量放大,最终单路放大器链输出的基频光单脉冲能量约为80J,两路基频光偏振合束后通过二类LBO倍频器最终输出能量约为100J的倍频光,钕玻璃激光器结构图如下图所示。

图1 百焦耳重复频率钕玻璃激光器三维结构图

泵浦源系统的能量稳定性对于超强超短激光装置至关重要,实验针对激光器在不同重复频率条件下工作所产生的热致波前畸变进行测量,以此确定能够使系统稳定安全工作的重复频率。热效应实验采用波前探测仪进行测量,用其测量出的PtV和RMS值可反映出光束质量受热效应影响的大小。
热效应实验分别在一分钟一发、两分钟一发以及三分钟一发的重复频率下对钕玻璃激光器进行测量,实验发现在一分钟一发的重复频率下PtV和RMS值随着工作时间增加不断提升,且在工作仅数发之后光斑出现了劣化,之后在两分钟一发的重复频率下PtV和RMS值在工作约20分钟后趋于稳定,但在工作约40分钟后出现光斑劣化。最终在三分钟一发的重复频率下钕玻璃激光器可实现稳定地连续运转,PtV和RMS值统计结果如下图所示,激光器输出的倍频光脉冲能量稳定,光斑均匀呈近平顶分布,可用于安全地泵浦主放大光路中的大口径钛宝石晶体。

图2 PtV和RMS值统计

目前泵浦源系统能够安全地运转于三分钟一发的条件下,未来为了进一步提升百焦耳泵浦激光器的重复频率,将会针对Φ50mm口径钕玻璃棒状放大器的水冷系统结构进行改进,最终将会使得重复频率提升至一分钟一发。

消息来源:高功率激光科学与工程

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