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基于交叉偏振波产生的脉冲净化技术研究与应用#
作者:管理员    发布于:2017-12-18 09:11:34    文字:【】【】【

  基于卩周啾脉冲放大(chirped-pulseamplification,CPA)技术的小型化台式化超短超强激光系统的发展,使得激光脉冲峰值功率从太瓦(TW,1012W)向拍瓦W(PW,1015W)推进,聚焦峰值功率密也达到102QW/cm12,使得极端强场条件下的超快物理研究成为可能。目前,超短超强激光系统面临的主要难题之一就是如何提升超短超强激光脉冲的时域对比度。脉冲的时域对比度通常定义为主脉冲峰值强度与预脉冲峰值强度的比值。在激光与物质相互作用的过程中,若预脉冲的聚焦强度达到101GW/cm3时,会在主脉冲到达靶面之前形成预电离。

  本文描述了我们搭建的一个基于XPW技术的脉冲净化装置。输入108对比度的飞秒激光脉冲,经净化后测得脉冲对比度为10n(达到三阶自相关仪的动态范围极限),脉冲对比度实现了三个量级的提升。利用啁啾镜对和石英片对脉冲净化装置输出的脉冲进行压缩,压缩后的脉冲宽度接近傅里叶变换极限。将净化后的高能量高对比度脉冲引入TW级钛宝石CPA系统进行放大,压缩后脉冲能量为250m,脉冲宽度约为50fs,对应的峰值功率约为5TW,并在主脉冲前沿100ps以外范围内实现了1011的对比度。

  为入射波偏振方向与晶体方向的夹角,n为晶体折射率,A为入射光中心波长,Xma:,X:rra:r,为晶体三阶极化率张量的对应元素。

  =4(令为也实数),S(0)=0可解得2XPW脉冲净化的理论分析自从XPW这一三阶非线性效应被发现,基波转化为正交偏振波的效率为(L为晶体长度)丨2)2由此可见,若选用方向切割的BaF2晶体,以及入射激光中心波长800nm,转换效率主要与晶体厚度入射波偏振方向与晶体方向的夹角有关。因此。实验中采用两块BaF2晶体,是由于光经过晶体时不仅有正交偏振波这一种非线性效应发生,基波还会发生非线性偏振旋转效应,使/偏离大转换效率时的角度使用两块晶体就可以通过旋转第二块晶体使旋转后的基波偏振方向与第二块晶体的方向夹角为pt,从而实现更高效率的正交偏振波输出。净化后的脉冲经啁啾镜对和熔融石英片压缩后通过单发二阶自相关仪测量二阶自相关曲线来得到脉冲宽度。

  调节两块BaF2晶体离焦点的距离以及两者之间的距离和旋转角度,调节spitfire激光器输出脉冲的啁啾,使经过晶体后交叉偏振波产生效率高。当spitfire激光器输出脉冲引入负啁啾,脉冲宽度为94fs((a))时得到佳输出效率,入射脉冲经过聚焦透镜和偏振棱镜在进入真空管前的脉冲宽度为41fs((b))。此过程中脉冲宽度变窄是由于透镜和偏振棱镜的正色散对具有负啁啾的脉冲进行了压缩。在输入能量为450p时有100p的正交偏振光透过检偏器输出,效率约为22.净化后的脉冲光谱宽度37.9nm((d)中实线)比净化前的光谱宽度32nm((d)中点线)略有增宽。这是由于交叉偏振波产生这一非线性过程与光强的三次方成正比,产生的正交偏振波在时域上就会有倍的压缩变换到频域就会有相应的展宽。

  采用啁啾镜对和熔融石英片对净化后的脉冲进行色散补偿,其中熔融石英片用作连续可调的正群速色散补偿器,可以防止啁啾镜对补偿过度。在佳色散补偿时得到脉冲宽度为25fs((c)),接近傅里叶变换极限。

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  净化前后脉冲宽度和光谱宽度比较(a)Spitfire输出脉冲;(b)进入真空管前脉冲;(c)以及净化并压缩后脉冲的二阶自相关曲线(浅实线),用高斯曲线拟合(深实线)得到脉冲半高全宽(FWHM)分别为94fs,41fs和25 fs;(d)净化前脉冲(点线)和净化后脉冲的光谱(实线)净化前后脉冲对比度比较(图中虚线是spitfire输出脉冲阶自相关曲线,实线是净化后脉冲的三阶自相关曲线)用三阶自相关仪测得spitfire激光器输出脉XPW过程对入射脉冲的光谱具有展宽效应,也不会引入明显的光谱畸变,引入的二阶色散可以通过简单的色散补偿手段抵消,因此可以得到比入射脉冲更短脉冲宽度。当输入脉冲光谱宽度足够时,如将XPW技术用于己有的周期量级激光脉冲系统中采用XPW技术得到亚10fs净化脉冲。

  的三用三阶自相关仪测得spitfire激光器输出脉冲(中虚线)和经过脉冲净化装置后输出脉冲(中实线)的三阶自相关曲线,并对初始脉冲和净化后的脉冲对比度进行比较。从图中曲线可以看出,spitfire激光器输出脉冲前沿对比度在百皮秒外小于16,净化后脉冲前沿对比度在百皮秒外测量达到了1011,这已经达到三阶自相关仪的动态范围极限。净化前后脉冲对比度有三个量级的提升。与传统的飞秒振荡器相比,基于XPW技术的脉冲净化装置输出的脉冲具有高能量(100叫)和高对比度(1011)的特性,更适合作为高强度、高对比度钛宝石啁啾脉冲放大激光系统的种子源。

  4净化后的脉冲放大注入种子脉冲能量的增大,放大后脉冲ASE平台处对比度会逐步从106提高至18.但该中所用的是钛宝石自锁模飞秒振荡器输出脉冲作为种子光,种子光本身的低能量和低对比度直接影响了对比度的进一步提高。现将经过净化后的高能量高对比度脉冲作为种子引入TW级钛宝石CPA放大系统进行放大并研究放大后的脉冲对比度,光路结构框图如。

  商品化激光器展宽器钛宝石压缩器前端脉冲净化器if TW级CPA激光系统净化后脉冲放大光路结构框图将XPW净化得到60p脉冲,输入TW级CPA系统放大。放大时先经Offner展宽器展宽至数百皮秒,然后注入再生腔进行再生放大,再经两级多通放大后输出500m,10Hz的脉冲,后经光栅压缩器压缩。输出脉冲能量250m脉冲宽度为50fs,脉冲峰值功率达5TW.其中作为种子的净化后脉冲能量只有60p而不是佳交叉偏振波产生效率时的100p,是因为XPW脉冲净化器工作在大效率时,输出脉冲能量稳定性不太好,而工作在60叫输出时,输出脉冲能量的稳定性有很大的改善,不会对后续放大的稳定性造成影响。

  净化后脉冲作为种子经TW级CPA激光系统放大后脉冲的三阶自相关曲线(中实线)与飞秒振荡源输出脉冲作为种子经TW级CPA激光系统放大后脉冲的三阶自相关曲线(中虚线)相比,在主脉冲前沿100ps之外净化后的种子脉冲在放大后的对比度仍保持在1011,这说明经XPW净化后的高能量高对比度的种子脉冲能有效地抑制CPA放大过程中产生的自发辐射放大噪声,从而维持自身的高对比度。而主脉冲前沿100ps范围内的对比度的下降则可能是由展宽压缩过程中的剩余高阶色散和放大过程中产生的位相畸变造成的1中国科学院,国家自然科学基金(批准号:10734080,60921004,60908008,61078037),国家重点基础研究发展计划(批准号:2llCB808101),国际科技合作计划(批准号:2011DFA11300)和上海科委科技基金(批准号:09QA1406500)资助的课题。

  2012中国物理学会

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