發(fā)布時(shí)間：2021-05-24所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：激光是受激輻射放大光，其方向性好、單色性好、相干性高，且能量在空間高度集中。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光器成為繼加速器和反應(yīng)堆之后研究核科學(xué)的一種新手段。本文回顧了中國(guó)原子能科學(xué)研究院激光技術(shù)及其應(yīng)用研究的發(fā)展歷程，總結(jié)了準(zhǔn)分子激光
摘要：激光是受激輻射放大光，其方向性好、單色性好、相干性高，且能量在空間高度集中。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光器成為繼加速器和反應(yīng)堆之后研究核科學(xué)的一種新手段。本文回顧了中國(guó)原子能科學(xué)研究院激光技術(shù)及其應(yīng)用研究的發(fā)展歷程，總結(jié)了準(zhǔn)分子激光技術(shù)、沖擊波物理、超快超強(qiáng)激光技術(shù)、強(qiáng)場(chǎng)激光、激光核物理和光譜技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，并展望了“超級(jí)天光”綜合激光裝置、基于大型激光裝置的物理工作和中小型特色激光器在核科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：準(zhǔn)分子激光;超快激光;沖擊波;激光核物理;激光加速;光譜技術(shù)
激光是外部光子激勵(lì)下產(chǎn)生的受激輻射放大光，其原理始于1917年愛(ài)因斯坦提出的受激輻射概念。1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼發(fā)明了世界第1臺(tái)激光器———紅寶石激光器。1962年，基于快速腔內(nèi)光開(kāi)關(guān)的激光調(diào)Q技術(shù)出現(xiàn)，提高了脈沖峰值功率[1]。我國(guó)的激光技術(shù)與國(guó)際同步發(fā)展，1961年我國(guó)第1臺(tái)紅寶石激光器研制成功，隨后各種類(lèi)型的激光器相繼出現(xiàn)[2]。由于激光器發(fā)射的光子在空間和時(shí)間上高度集中，相位高度一致，因而可獲得普通光源無(wú)法達(dá)到的高功率密度和極好的方向性、單色性和相干性，從而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、天文、地理、科研等各領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
激光與核的結(jié)合起源于1964年王淦昌先生與蘇聯(lián)巴索夫院士各自獨(dú)立提出的激光聚變的概念[3]，這一設(shè)想成為目前國(guó)際上深入研究的慣性約束聚變科學(xué)概念的雛形。1978年，根據(jù)國(guó)外發(fā)展情況，王淦昌提出在中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)展電子束慣性約束核聚變的建議，隨后由王乃彥、曾乃工、王文昌、馬維義、龔堃、楊大為、馮奇、劉慰仁、梁延波、王碧丹、羅玉明、杜世剛、趙榮生、洪潤(rùn)生、戴春祥、王樹(shù)茂、萬(wàn)春侯、許金奎組成了電子束約束聚變研究組，開(kāi)始加速器的物理設(shè)計(jì)工作。在基本明確電子束與靶物質(zhì)相互作用機(jī)制的情況下，中國(guó)原子能科學(xué)研究院慣性約束聚變研究團(tuán)隊(duì)否定了電子束作為聚變驅(qū)動(dòng)器的可能，及時(shí)把研究方向轉(zhuǎn)向氟化氪(KrF)激光聚變研究。1983年，研究室開(kāi)展了電子束泵浦KrF準(zhǔn)分子激光裝置的研制[4]，開(kāi)始了激光技術(shù)在核工業(yè)中的研究工作。1995年，“天光一號(hào)”電子束泵浦激光裝置建成，實(shí)現(xiàn)400J/200ns激光輸出[5]，我國(guó)準(zhǔn)分子激光研究步入了國(guó)際先進(jìn)行列，中國(guó)原子能科學(xué)研究院成為我國(guó)KrF準(zhǔn)分子激光技術(shù)以及KrF激光慣性約束聚變研究的重要基地。2000年，“天光一號(hào)”主振放大系統(tǒng)(MOPA)光學(xué)角多路通過(guò)驗(yàn)收，裝置的靶上激光輻照功率密度接近10TW/cm2[6]。2001年，建立了744nm/248nm全固態(tài)飛秒超快脈沖裝置[7]。2010年，建成十太瓦超快超強(qiáng)激光裝置，并于2020年升級(jí)至百太瓦。
電子束約束聚變研究組現(xiàn)已發(fā)展成為具有激光技術(shù)、等離子體物理、激光核物理以及激光光譜等領(lǐng)域研究能力的激光綜合研究室———強(qiáng)流粒子束與激光研究室，基于建成的激光裝置，開(kāi)展了激光技術(shù)、高能量密度物理、激光粒子加速等領(lǐng)域的研究。本文將介紹激光技術(shù)和應(yīng)用在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的研究現(xiàn)狀和未來(lái)展望，為核工業(yè)的發(fā)展提供新動(dòng)力。
1自主建成“天光一號(hào)”高功率KrF準(zhǔn)分子激光器并開(kāi)展沖擊波物理研究
20世紀(jì)70年代末，在鹵化物準(zhǔn)分子激光問(wèn)世后不久，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的Ewing和Brau建議將此用于慣性聚變驅(qū)動(dòng)器研究，并提出通過(guò)角多路編碼技術(shù)壓縮脈寬建立準(zhǔn)分子激光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)想[8]，之后美國(guó)、英國(guó)、日本等紛紛付諸實(shí)踐，陸續(xù)建立了各自高功率準(zhǔn)分子激光裝置。高功率KrF準(zhǔn)分子激光器具有輸出波長(zhǎng)短(約248nm)、激光帶寬寬(約2THz)、本征效率高(約12%)、可重頻(7Hz)運(yùn)行的特點(diǎn)，在提升束靶耦合效率、抑制等離子體不穩(wěn)定等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是一種發(fā)展聚變能源的優(yōu)選驅(qū)動(dòng)器[9]。美國(guó)、俄羅斯、日本、英國(guó)和我國(guó)先后開(kāi)展了大能量電子束準(zhǔn)分子激光泵浦準(zhǔn)分子激光裝置和光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的研發(fā)[10-13]，充分顯示了準(zhǔn)分子激光的光束均化[14]和變焦能力[15]、脈沖形狀調(diào)控能力[16]、激光器高效高重頻運(yùn)行能力[17]。預(yù)期在亞兆焦規(guī)模(250kJ)的KrF激光裝置上即可完成直接驅(qū)動(dòng)聚變的驗(yàn)證演示，實(shí)現(xiàn)100倍的能量增益[18]。
中國(guó)原子能科學(xué)研究院建成的“天光一號(hào)”激光器是國(guó)內(nèi)最大型的KrF準(zhǔn)分子激光裝置，采用主振放大結(jié)構(gòu)，包含KrF激光前端、一級(jí)放電泵浦KrF準(zhǔn)分子激光放大器、兩級(jí)電子束KrF激光放大器、六路光學(xué)角多路系統(tǒng)、物理靶場(chǎng)等，6束激光靶面聚焦能量100J、脈沖寬度23ns、焦斑直徑500μm。系統(tǒng)采用無(wú)階梯鏡誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)(EF-ISI)和像傳遞技術(shù)，在靶上獲得的輻照不均勻性小于2%，接近美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室NIKE裝置的約1%，這是目前國(guó)內(nèi)所有高功率激光系統(tǒng)具有的最好的光束均勻性。基于天光裝置，先后開(kāi)展了材料高壓狀態(tài)方程與沖擊動(dòng)力學(xué)特性、空間碎片模擬發(fā)射技術(shù)、激光直接驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵加載等研究。
1.1電子束泵浦準(zhǔn)分子激光裝置的研發(fā)
1984年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院利用80GW強(qiáng)流電子束加速器橫向泵浦KrF激光介質(zhì)，首次獲得6J的KrF激光輸出。1991年，側(cè)向電子束泵浦KrF激光實(shí)現(xiàn)了100J的能量輸出。1995年，通過(guò)改建原有的電子束加速器和激光腔建立了雙向電子束泵浦的KrF激光裝置，“天光一號(hào)”激光裝置振蕩輸出達(dá)到400J/200ns。同時(shí)，建立了“天光二號(hào)”裝置用于kJ激光放大級(jí)的脈沖功率技術(shù)驗(yàn)證[19]。
2000年，以LPX-150激光器為種子光源的“天光一號(hào)”MOPA角多路系統(tǒng)建成，系統(tǒng)采用兩級(jí)電子束泵浦激光器進(jìn)行激光脈沖放大，采用CHEL3300作前級(jí)放大器，并采用光學(xué)角多路的方式進(jìn)行脈沖壓縮，實(shí)現(xiàn)了100J/23ns的激光輸出，靶上功率密度達(dá)1013W/cm2。2004年，“天光一號(hào)”均勻化MOPA角多路系統(tǒng)引入一級(jí)放電泵浦的激光器作為前級(jí)放大器[20]，使系統(tǒng)各級(jí)放大器均工作在增益飽和狀態(tài)(表1)。
為開(kāi)展光學(xué)角多路的建設(shè)，研制了高損傷閾值的光學(xué)鍍膜，并建立激光損傷閾值的測(cè)試方法[21]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，KrF激光反射器件的光學(xué)損傷閾值已達(dá)5J/cm2，透射器件的損傷閾值達(dá)10J/cm2，接近國(guó)際先進(jìn)水平[22]。
近年來(lái)，正在深入研討“天光一號(hào)”系統(tǒng)主放大器的優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)脈沖功率源、二極管和激光腔的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)kJ量級(jí)的激光能量輸出[23]。
1.2高功率準(zhǔn)分子激光的時(shí)空參量調(diào)控
2000年以來(lái)，“天光一號(hào)”準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的優(yōu)化主要著力于發(fā)展激光時(shí)空參量的調(diào)控技術(shù)、實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)的集成測(cè)控。為改善激光對(duì)靶的輻照強(qiáng)度均勻性，在“天光一號(hào)”裝置上先后對(duì)采用隨機(jī)相位板、無(wú)階梯誘導(dǎo)非相干和像傳遞技術(shù)勻化光束空間分布截面的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。最終選擇采樣放大自發(fā)輻射光源(ASE)輻照物孔的方法在系統(tǒng)前端獲得高均勻性的近場(chǎng)分布截面，通過(guò)6束MOPA放大和像傳遞系統(tǒng)在靶丸上獲得近平頂?shù)倪h(yuǎn)場(chǎng)光斑，有效焦斑直徑400μm范圍內(nèi)輻照功率密度接近3.7GW/cm2，光強(qiáng)均勻性?xún)?yōu)于1%[24]。近期，在“天光一號(hào)”裝置上開(kāi)展利用光導(dǎo)勻化放大自發(fā)輻射光源的嘗試，可有效提升光源利用效率，消除種子光源放電泵浦過(guò)程對(duì)光束截面均勻性的影響[25]。圖1為“天光一號(hào)”裝置光源光斑光強(qiáng)分布、靶面光斑光強(qiáng)分布及脈沖波形。
激光脈沖的形狀直接決定了靶的熱力學(xué)參量加載過(guò)程，因此，激光場(chǎng)的時(shí)域參數(shù)調(diào)控，亦即脈沖整形，是開(kāi)展激光束靶相互作用研究的內(nèi)在要求。“天光一號(hào)”系統(tǒng)曾利用光學(xué)角多路結(jié)合飽和吸收體、SRS、SBS獲得短脈沖輸出。早期的脈沖整形是基于增益飽和效應(yīng)的脈沖寬度壓縮[26-28]。近年來(lái)，利用KrF準(zhǔn)分子激光介質(zhì)上能級(jí)壽命短的特點(diǎn)，發(fā)展了增益控制技術(shù)，通過(guò)與脈沖堆積技術(shù)相結(jié)合，已在系統(tǒng)光源上獲得了具備沖擊點(diǎn)火研究所需時(shí)域波形特征的非相干光脈沖[29]。
“天光一號(hào)”裝置在完成承擔(dān)的科研任務(wù)的同時(shí)，先后完成脈沖功率裝置開(kāi)關(guān)改造、氣系統(tǒng)和光電參量監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)充氣、脈沖功率裝置參數(shù)自動(dòng)采集、激光參量的在線監(jiān)控和關(guān)鍵部位的光束自動(dòng)調(diào)節(jié)[30-34]，集成調(diào)控系統(tǒng)已經(jīng)初見(jiàn)雛形，為開(kāi)展高速飛片加載等精密物理實(shí)驗(yàn)提供了有力支撐。
1.3太瓦超快脈沖準(zhǔn)分子系統(tǒng)研發(fā)
太瓦到拍瓦的超強(qiáng)激光裝置是開(kāi)展激光核物理、聚變快點(diǎn)火和沖擊點(diǎn)火的有力工具，但受制于光學(xué)材料的性能，目前主要運(yùn)營(yíng)和在建的超強(qiáng)激光裝置多工作在紅外波段。KrF激光波長(zhǎng)在紫外區(qū)，發(fā)展太瓦超快脈沖KrF激光裝置，可與主流超強(qiáng)激光形成互補(bǔ)，通過(guò)研究相關(guān)物理現(xiàn)象的波長(zhǎng)效應(yīng)，深入理解相關(guān)物理過(guò)程。
“天光一號(hào)”裝置的紫外超快激光系統(tǒng)采用固態(tài)種子光源/準(zhǔn)分子激光放大器的混聯(lián)結(jié)構(gòu)，固態(tài)光源輸出的三倍頻百飛秒脈沖經(jīng)一級(jí)放電泵浦準(zhǔn)分子激光器放大后能量提升至50mJ，激光聚焦功率密度達(dá)1017W/cm2[35]。50mJ/420fs紫外激光脈沖經(jīng)過(guò)單級(jí)電子束泵浦激光裝置雙程放大后，實(shí)現(xiàn)了2TW(2～3J/1.2ps)的激光輸出[36]。由于KrF準(zhǔn)分子的增益恢復(fù)時(shí)間接近2ns，對(duì)于“天光一號(hào)”裝置的電子束泵浦激光放大器，180ns的泵浦時(shí)間足以承擔(dān)60束超快脈沖序列的放大，理論上，現(xiàn)有“天光一號(hào)”裝置即可獲得百太瓦深紫外激光脈沖，脈沖對(duì)比度也會(huì)較單脈沖放大有所改善。目前，“天光一號(hào)”裝置開(kāi)展的KrF短脈沖激光的放大和組束研究[37-38]，已實(shí)現(xiàn)四脈沖的組束和雙脈沖的多級(jí)放大，為進(jìn)一步獲得數(shù)十太瓦激光脈沖奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)期刊推薦：《原子能科學(xué)技術(shù)》月刊，1959年創(chuàng)刊，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，全國(guó)性學(xué)術(shù)與技術(shù)兼顧的原子能類(lèi)核心期刊。本刊主要收登核科學(xué)技術(shù)方面具有創(chuàng)造性的科技成果，旨在促進(jìn)核科學(xué)與技術(shù)方面的交流、核技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)間的交叉滲透，推動(dòng)核科技在國(guó)民經(jīng)濟(jì)方面的應(yīng)用。欄目設(shè)置為“物理”、“化學(xué)”、“反應(yīng)堆工程”、“技術(shù)及應(yīng)用”。
作為高能量密度物理研究的驅(qū)動(dòng)器，高功率準(zhǔn)分子激光向著更大能量[39]、更高功率[40]、更短波長(zhǎng)[41]、更寬頻帶[42]以及高效高重頻方向發(fā)展。高功率準(zhǔn)分子激光裝置可輸出從深紫外(ArF，193nm)到可見(jiàn)光(XeF，480nm)波段的多波長(zhǎng)激光輸出，發(fā)展具備時(shí)空參量調(diào)控能力的高功率準(zhǔn)分子激光裝置，將極大拓展高能量密度物理的研究條件，為深入理解激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程提供支持。
1.4激光驅(qū)動(dòng)沖擊波物理研究
激光燒蝕薄膜材料產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹可驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生沖擊波向材料內(nèi)部傳輸，并使其獲得超高速度。因此，通過(guò)激光直接加載或激光驅(qū)動(dòng)高速飛片撞擊加載兩種方式可實(shí)現(xiàn)材料的動(dòng)高壓沖擊波加載過(guò)程，并在靶材料內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓、高密度的極端條件，從而在慣性約束聚變、高能量密度物理、材料科學(xué)、武器物理以及空間科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。基于“天光一號(hào)”裝置，開(kāi)展了一系列的高壓狀態(tài)方程[43-46]、高速飛片發(fā)射[47-49]、高壓聲速測(cè)量[50]以及準(zhǔn)等熵加載[51-52]等綜合性的沖擊波物理實(shí)驗(yàn)。
1)高壓狀態(tài)方程
高壓狀態(tài)方程是評(píng)價(jià)極端條件下材料性能的重要參數(shù)之一，通過(guò)測(cè)量靶樣品內(nèi)部的沖擊波速度、粒子速度，結(jié)合沖擊波雨貢紐方程可獲得靶材的壓力、密度、溫度等物性參數(shù)。為滿足慣性約束聚變、地球物理等方面的需求，國(guó)內(nèi)外在液氘、碳?xì)洳牧稀㈣F、硅酸鹽等材料狀態(tài)方程測(cè)量方面做了大量工作[53-56]。基于“天光一號(hào)”裝置，通過(guò)輻照平面型、臺(tái)階型等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁、鐵樣品材料，研究測(cè)量了其100GPa壓力下的狀態(tài)方程數(shù)據(jù)(沖擊波速度與粒子速度的關(guān)系)，如圖2所示，鋁材料內(nèi)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波速度達(dá)9km/s，粒子速度達(dá)3.9km/s，對(duì)應(yīng)的壓力可達(dá)95GPa，密度被壓縮至4.8g/cm3;鐵作為地核內(nèi)部主要成分，密度相對(duì)較高，高壓特性更復(fù)雜，“天光一號(hào)”驅(qū)動(dòng)可在鐵內(nèi)產(chǎn)生36GPa的壓力，沖擊波速度達(dá)5.2km/s，并被壓縮到9.4g/cm3。
2)高速飛片發(fā)射
激光驅(qū)動(dòng)可產(chǎn)生超高速飛片，高速飛片二次撞擊靶樣品，可驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生更陡峭的沖擊加載，同時(shí)還可研究撞擊破壞效應(yīng)，因此在動(dòng)高壓加載、材料力學(xué)、ICF以及空間碎片等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室NIKE激光裝置、日本GEKKOⅫ-HIPER、我國(guó)神光系列等kJ級(jí)激光裝置在激光驅(qū)動(dòng)高速飛片方面開(kāi)展了大量工作，并驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了10km/s以上的金屬飛片以及1000km/s以上的CH薄膜飛片[57-59]。在“天光一號(hào)”裝置上，采用側(cè)向陰影照相與VISAR速度干涉儀診斷技術(shù)，研究了不同束靶條件下的高速飛片加速過(guò)程，掌握了5～15km/s高速飛片發(fā)射與診斷技術(shù)。側(cè)向陰影圖像如圖3a所示，側(cè)向陰影圖像可準(zhǔn)確獲得飛片的飛行軌跡，獲得飛片飛行的路徑-時(shí)間關(guān)系，鋁飛片在60ns的時(shí)間范圍內(nèi)保持近似勻速運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)5km/s。改變束靶條件，飛片內(nèi)的沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程發(fā)生改變進(jìn)而導(dǎo)致宏觀的加速狀態(tài)發(fā)生改變，典型的就是變加速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)側(cè)向陰影照相技術(shù)獲得的路徑-時(shí)間曲線可通過(guò)微分獲得速度變化史，但受起飛時(shí)刻測(cè)量精度及復(fù)雜沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響，存在較大的誤差，因此其更適合于勻速運(yùn)動(dòng)或平均速度測(cè)量。相比之下，VISAR速度干涉儀診斷技術(shù)可通過(guò)條紋移動(dòng)直接獲取飛片的速度變化，干涉條紋圖像如圖3b所示，條紋連續(xù)的變化表征了飛片呈準(zhǔn)連續(xù)加速過(guò)程，最終速度達(dá)13km/s。
此外，基于“天光一號(hào)”激光裝置，開(kāi)展了激光驅(qū)動(dòng)的高壓聲速測(cè)量[50]，采用加窗VISAR法測(cè)量了35GPa下鋁樣品的Lagrange縱波聲速為7.9km/s，與理論預(yù)估結(jié)果相符。采用激光直接驅(qū)動(dòng)靶樣品[51]、激光驅(qū)動(dòng)氣庫(kù)材料[52]撞擊靶樣品等方式實(shí)現(xiàn)了20GPa的準(zhǔn)等熵加載過(guò)程，開(kāi)展了準(zhǔn)等熵加載關(guān)鍵技術(shù)的研究。
2自主建成百太瓦超快超強(qiáng)激光系統(tǒng)并開(kāi)展強(qiáng)場(chǎng)激光物理研究
1985年，Mourou等[60]提出啁啾脈沖放大技術(shù)以來(lái)，超快超強(qiáng)激光裝置得到飛速發(fā)展，激光的峰值功率從TW提升至PW[61-62]。當(dāng)激光峰值功率達(dá)到數(shù)十TW時(shí)，激光脈沖的聚焦強(qiáng)度超過(guò)1018W/cm2，相對(duì)論光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)際上的超快超強(qiáng)激光裝置超過(guò)100臺(tái)[63]，大部分裝置的峰值功率為100～200TW，少量為PW量級(jí)，國(guó)內(nèi)的主要研究單位為中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)工程研究院、中國(guó)原子能科學(xué)研究院等。
2.1百太瓦超快超強(qiáng)激光裝置的研制
中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主研制建立了百太瓦強(qiáng)場(chǎng)激光與等離子體相互作用的研究平臺(tái)，包括百太瓦超強(qiáng)超快激光系統(tǒng)、靶室和真空系統(tǒng)以及相關(guān)診斷設(shè)備。
百太瓦飛秒激光裝置如圖4所示，主要包括鈦寶石飛秒振蕩器、1kHz再生放大系統(tǒng)、脈沖凈化模塊、Offner展寬器、四通預(yù)放大模塊、普克爾盒和法拉第隔離器、第1級(jí)六通放大模塊、第2級(jí)四通放大模塊、第4級(jí)四通放大模塊和壓縮器。再生放大系統(tǒng)提供1kHz、800nm、1.5mJ、35fs的超快激光脈沖，在空氣中通過(guò)交叉偏振技術(shù)，利用3mm厚、切割角度為011的BaF2產(chǎn)生20μJ的高時(shí)域?qū)Ρ榷鹊拿}沖，轉(zhuǎn)換效率為10%。然后通過(guò)Offner展寬器，展寬后的半高寬脈沖寬度為750ps，展寬后的脈沖通過(guò)Dazzler模塊控制激光的光譜形狀和相位，以減少增益窄化和補(bǔ)償高階色散獲得接近變化極限的脈沖寬度。前3級(jí)多通放大的泵浦光均通過(guò)成像系統(tǒng)將泵浦激光從激光器的入口位置成像至鈦寶石晶體，以提高泵浦激光在鈦寶石晶體的光束質(zhì)量并減少空間抖動(dòng)。預(yù)放的四通放大模塊利用20mJ的泵浦光獲得500μJ的放大輸出，然后通過(guò)普克爾盒切除ns尺度的預(yù)脈沖進(jìn)一步提高激光的脈沖時(shí)域?qū)Ρ榷龋ㄟ^(guò)法拉第隔離器以防止激光回光損毀預(yù)放模塊中的光學(xué)元件和Dazzler。第2級(jí)六通放大模塊采用雙端泵浦，泵浦光為140mJ，放大后的激光能量為40mJ。第3級(jí)四通放大模塊采用雙端泵浦并通過(guò)真空管道成像，泵浦光為2J，放大后的激光能量為800mJ。第4級(jí)四通放大模塊也采用雙端泵浦，并通過(guò)衍射光學(xué)元件(DOE)勻滑泵浦激光使得泵浦光在鈦寶石晶體上的光斑為平頂光斑，泵浦光為12J，放大后的激光能量為5J，能量起伏為1.2%(RMS)。然后放大脈沖的直徑從25mm擴(kuò)展至75mm，進(jìn)入真空壓縮器進(jìn)行壓縮，壓縮后的脈沖寬度為35fs，能量為3.5J，最終的輸出功率為100TW。各級(jí)放大系統(tǒng)的輸出光譜示于圖5。
2.2超快激光振蕩器的研制
在超快超強(qiáng)激光領(lǐng)域，除目前基于Ti：Sapphire的激光器外，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展也對(duì)超快脈沖激光的進(jìn)步起巨大的推動(dòng)作用，特別是基于Yb摻雜晶體的超快脈沖激光器逐漸向全固化、高重復(fù)頻率、高功率、小型化方向發(fā)展。未來(lái)的第3代超快超強(qiáng)激光器[64]的主要方向是基于Yb超快超強(qiáng)激光器作為泵浦源，通過(guò)OPCPA產(chǎn)生高重復(fù)頻率的超快超強(qiáng)激光。在眾多摻Y(jié)b3+晶體中，Yb：KGW和Yb：CGA具有優(yōu)異的光學(xué)、熱力學(xué)等綜合性能，是目前發(fā)展較成熟的兩種激光增益介質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)高功率的超快脈沖激光提供了強(qiáng)有力的支持。——論文作者：王釗，賀創(chuàng)業(yè)，趙保真，高智星，張?bào)K，田寶賢，席曉峰，李靜，呂沖，孟祥昊，劉秋實(shí)，班曉娜，胡鳳明，張曉華，徐永生，張紹哲，馬田麗，劉伏龍，路建新，陸澤，張海峰，李業(yè)軍，向益淮，王雷劍，梁晶，戴輝，王華，郭冰*，姜興東*，王乃彥*
