Christophe Radier1, Olivier Chalus1, Mathilde Charbonneau1, Shanjuhan Thambirajah1, Guillaume Deschamps1, Stephane David1, Julien Barbe1, Eric Etter1, Guillaume Matras1,

Sandrine Ricaud1, Vincent Leroux1, Caroline Richard1, Fran?ois Lureau1, Andrei Baleanu2, Romeo Banici2, Andrei Gradinariu2, Constantin Caldararu2, Cristian Capiteanu2, Andrei Naziru3,4, Bogdan Diaconescu3, Vicentiu Iancu3,4, Razvan Dabu3, Daniel Ursescu3,4, Ioan Dancus?3,

Calin Alexandru Ur3, Kazuo A. Tanaka3,5, and Nicolae Victor Zamfir3

1?Thales LAS France, 78990 élancourt, France

2 Thales Systems Romania, 060071 Bucuresti, Romania

3?Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics, IFIN-HH, 077125 Magurele, Romania

4?Physics Doctoral School, Bucharest University, 077125 Magurele, Romania

5?Laser Engineering, Osaka University, Osaka 565-0871,? Japan (Received 7 March 2022; revised 31 March 2022; accepted 17 May 2022)

摘要

我們報(bào)告了由極端激光基礎(chǔ)設(shè)施-核物理設(shè)施的高功率激光系統(tǒng)所產(chǎn)生和傳輸?shù)?0.2PW峰值功率激光脈沖。在這項(xiàng)工作中，據(jù)我們所知，我們首次展示了功率水平超過10PW的全能量、全孔徑、激光脈沖的壓縮和傳播。

關(guān)鍵詞：高功率激光，超短激光脈沖

1、介紹

?世界上已有激光系統(tǒng)輸出超過1拍瓦的高峰值功率[1]。在這項(xiàng)工作結(jié)果展示之前，Sung等[2]報(bào)告了一套激光系統(tǒng)輸出4.2PW峰值功率，Zeng等[3]報(bào)告了4.9PW峰值功率，兩者都采用了啁啾脈沖放大(CPA)方案[4]。最近，Yoon等[5]展示了采用CoReLS拍瓦激光器獲得 1023W/cm2峰值功率密度。更高功率的10PW激光器正在建設(shè)中[6–8]。這些前所未有的功率水平為從核物理、非線性量子電子動(dòng)力學(xué)到空間科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中的實(shí)驗(yàn)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9,10].

2、10拍瓦全功率激光脈沖展示

在本文中，我們報(bào)告了使用極端光基礎(chǔ)設(shè)施-核物理（ELI-NP）設(shè)施的高功率激光系統(tǒng)（HPLS）產(chǎn)生10.2PW峰值功率。HPLS使用混合CPA–OPCPA（光學(xué)參量CPA）架構(gòu)，并具有兩個(gè)光臂，使其能夠以每分鐘1發(fā)的重復(fù)頻率提供兩束10PW激光脈沖的光束。

?Lureau等[11]詳細(xì)展示了HPLS高功率激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括從前端的6fs Ti：Sa激光振蕩器到壓縮器和診斷工作臺(tái)，雙臂放大鏈的架構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的六路輸出：兩路輸出10Hz 100TW ，兩路輸出1Hz 1PW ，兩路輸出1分鐘1發(fā)10PW 。除了對(duì)整個(gè)HPLS的描述外，還報(bào)告了放大器的運(yùn)行情況，這些放大器在10PW壓縮器的入口處提供超過300J的能量。在這項(xiàng)工作中，完全放大的脈沖被衰減并傳輸?shù)綁嚎s器后面的診斷工作臺(tái)，證明脈沖寬度可壓縮至低達(dá)22.7fs。當(dāng)時(shí)不可能通過壓縮器傳輸放大脈沖的全部能量，因?yàn)樵跊]有專用光束吸收器的情況下脈沖的潛在背反射會(huì)對(duì)激光系統(tǒng)的完整性造成問題。

本文報(bào)告了全能量10PW脈沖的產(chǎn)生和傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)區(qū)域的首次演示。在本演示中，全孔徑和全能量激光脈沖在專用的10PW壓縮器中壓縮，并使用激光束傳輸系統(tǒng)（LBTS）在真空中傳輸超過30m的距離到其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域（見圖1）。在實(shí)驗(yàn)區(qū)，脈沖被吸收在10PW光束吸收器（由Gentec-EO制造）中。該光束吸收器放置在真空外殼中，并使用以不同入射角放置的吸收性玻璃板，以吸收大部分光并抑制可能耦合到激光系統(tǒng)中的任何背反射激光（見圖2）。

請(qǐng)注意，在Lureau等[11]的報(bào)告中，我們對(duì)ELI-NP的激光系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述，并展示了該系統(tǒng)提供10PW脈沖的能力，而在本報(bào)告中，我們展示了10PW脈沖的完整產(chǎn)生和傳輸?shù)慕Y(jié)果。

我們使用一個(gè)位于壓縮器后面的經(jīng)過校準(zhǔn)的診斷工作臺(tái)，如圖1所示，以測(cè)量激光脈沖的發(fā)射能量、持續(xù)時(shí)間和光束輪廓?？s束望遠(yuǎn)鏡的第一面鏡子是非球面鏡，通光孔徑為580mm，極點(diǎn)曲率為9695mm。

我們根據(jù)最后一個(gè)放大器輸出端的全放大能量校準(zhǔn)了能量計(jì)。在使用高能量脈沖期間，診斷臺(tái)上的校準(zhǔn)能量計(jì)測(cè)量M1和兩個(gè)分束器BS傳輸?shù)目偰芰康谋壤?。考慮到74.2%[11]的壓縮效率，我們?cè)谡婵諌嚎s器出口處的HPLS提供最高可達(dá)251J的輸出能量。

如Lureau等[11]所述，通過使用光楔對(duì)壓縮器前面的全孔徑和全能量光束進(jìn)行衰減獲得低能量水平光束，以便在診斷臺(tái)上測(cè)量脈沖寬度。根據(jù)脈沖的特定時(shí)空畸變，脈沖孔徑不同位置的脈寬子孔徑測(cè)量可能會(huì)有所不同。因此，我們選擇確定全孔徑光束的脈沖寬度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，脈沖光被衰減和縮束以匹配Wizzler輸入要求，并使用二階自相關(guān)儀交叉檢查數(shù)值。我們使用自參考光譜干涉儀（Wizzler，由Fastlite制造）來測(cè)量光譜相位（見圖3）并確定脈沖形狀和寬度（見圖4）。為了在診斷工作臺(tái)上達(dá)到最佳壓縮，使用安裝在激光系統(tǒng)中的聲光可編程色散濾波器（Dazzler，由Fastlite制造）優(yōu)化了光譜相位[11]。在半高全寬（FWHM）下測(cè)得的中心峰的優(yōu)化脈沖寬度為21.7fs，如圖4所示。按數(shù)值計(jì)算傅里葉變換極限的脈沖寬度為19.9fs。通過數(shù)值積分，我們計(jì)算出88%的能量在主峰（圖4中的藍(lán)色虛線之間）傳輸，而其余12%的能量對(duì)應(yīng)于兩個(gè)對(duì)稱的邊峰。

在診斷臺(tái)上測(cè)量的脈沖寬度與真空壓縮器輸出端的脈沖寬度不同，因?yàn)樗宦┕忡RM1、真空窗口WP和分束器BS引入的色散所改變，其中BS安裝在診斷臺(tái)的Wizzler之前（見圖1）。所有這些光學(xué)元件均為熔石英材料，45?M1厚度為91.6mm，WP厚度為65mm，BS厚度為2mm。我們計(jì)算了由這些光學(xué)元件引入的色散Φ(2)=5730fs2,Φ(3)=4350fs3以及Φ(4)=-1809fs4?。我們使用前面提到的聲光可編程色散濾波器來補(bǔ)償這些光學(xué)元件引入的色散。通過這種方式，可以確保在HPLS的主輸出端提供大致相同的脈沖寬度（21.7fs）

圖3.使用Wizzler測(cè)量的光譜和光譜相位。

如圖5所示，通過整個(gè)系統(tǒng)（包括壓縮器、LBTS和光束吸收）以全能量依次發(fā)射10發(fā)脈沖光，主輸出端的脈沖寬度優(yōu)化為最小。在前八次發(fā)射中，我們通過逐步啟動(dòng)相應(yīng)的泵浦激光器，逐漸增加最后放大器的泵浦能量，以達(dá)到總共575J，這是10PW峰值功率所需的能量。最后三個(gè)脈沖在最后兩個(gè)高能Ti：Sa放大器中使用相同的泵浦條件發(fā)射，分別為169J和406J泵浦能量。每個(gè)脈沖的輸出能量是使用診斷工作臺(tái)上的校準(zhǔn)能量計(jì)測(cè)量的。峰值中的能量（圖5的左縱軸）表示主峰值中包含的能量。這相當(dāng)于所測(cè)能量的88%，其中百分比如圖4所示確定。峰值功率（圖5的右縱軸）是通過將峰值中的能量除以脈沖寬度來計(jì)算的?？紤]到在該脈沖序列中測(cè)量的壓縮激光脈沖中的最大能量E=251.3J，主峰下88%的能量和脈沖寬度τ=21.7fs，使用公式Pp=0.88E/τ計(jì)算出10.2PW的Pp峰值功率。

脈沖序列中的光束輪廓具有穩(wěn)定的平頂分布形狀。圖6中記錄的近場(chǎng)圖像證明了這一點(diǎn)，該序列的最后三個(gè)脈沖，峰值功率大于10PW。使用診斷工作臺(tái)上的相機(jī)和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件在拍攝時(shí)記錄下來這些光束的近場(chǎng)圖像，以便對(duì)壓縮器最后一個(gè)光柵的平面進(jìn)行成像。我們使用近場(chǎng)光束輪廓來計(jì)算關(guān)鍵光學(xué)元件的峰值通量。計(jì)算出的45度入射反射鏡的局部最大峰值通量為208mJ/cm2，平均通量為112mJ/cm2。對(duì)于以56度入射角放置的光柵，計(jì)算出局部最大峰值通量為165mJ/cm2（平均通量為88mJ/cm2），峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)低于光柵的300mJ/cm2測(cè)量損傷閾值[12]。

該脈沖序列中的頻譜穩(wěn)定性如圖7所示。這里給出的光譜是在最后一級(jí)放大器的輸出端記錄的每個(gè)脈沖所呈現(xiàn)的，顯示出穩(wěn)定的光譜分布，在激光系統(tǒng)能量上升期間，隨著脈沖能量的增加，光譜幅度增加。綠色曲線顯示了在10PW功率下的三個(gè)脈沖頻譜。

在整個(gè)系統(tǒng)中傳輸高功率脈沖后，檢查所有光學(xué)組件是否損壞，重點(diǎn)是壓縮光柵和10PW傳輸光學(xué)器件。在任何光學(xué)元件上均未觀察到視覺損傷。

3、結(jié)論

?據(jù)我們所知，這是首次產(chǎn)生了峰值功率高于10PW的激光脈沖。從ELI-NP HPLS的輸出端，使用LBTS真空傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)區(qū)域。當(dāng)使用焦距為1500mm的拋物面鏡（目前正在ELI-NP安裝）緊密聚焦時(shí)，該峰值功率對(duì)應(yīng)于1022-1023?W/cm2[13]范圍內(nèi)的功率密度，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用具有全球影響，這些研究和應(yīng)用也將在ELI-NP進(jìn)行。

基金項(xiàng)目

極端光基礎(chǔ)設(shè)施- 核物理（ELI-NP）第二階段是由羅馬尼亞政府和歐盟通過歐洲區(qū)域發(fā)展基金和競(jìng)爭(zhēng)力業(yè)務(wù)計(jì)劃（1/07.07.2016，COP，ID 1334）共同資助的項(xiàng)目。我們還感謝羅馬尼亞研究與創(chuàng)新部贊助的支持合同：PN 19 06 01 05。

致謝

作者感謝整個(gè)Thales、Alsyom/Seiv和ELI-NP團(tuán)隊(duì)和合作者的貢獻(xiàn)。

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