大阪大学推动下一代超强激光器功率迈向亿瓦级

江苏激光联盟导读：

据悉，具有超短脉冲和超高能量的超高强度激光器是探索物理学、宇宙学、材料科学等领域未知事物的有力工具。借助啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification, CPA)（2018年诺贝尔物理学奖），当前 记录已达到10PW（或1016W）。在最近发表在Scientific Reports上的一项研究中，来自大阪大学的研究人员提出了一种下一代超高强度激光器的概念，该激光器的模拟峰值功率高达十亿瓦级（1兆瓦等于1000皮瓦）。

自从啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification, CPA)的发明有效地避免了放大器的光学非线性和损坏以来，激光脉冲的峰值功率就从千兆瓦（GW，106W）急剧增加到PW。在当前的PW激光器中，主要的激光放大材料包括Nd：玻璃，Ti：蓝宝石和非线性光学晶体。Nd：玻璃具有很大的物理尺寸（> 1 m），但是增益带宽很窄（〜20 nm FWHM），产生了亚皮秒级的千焦耳激光脉冲，当前最大峰值功率为2 PW。Ti：蓝宝石晶体的物理尺寸有限（<200 mm），但是增益带宽较宽（> 200 nm），产生了20–50 fs（受增益变窄和增益饱和的限制），<400 J激光脉冲与当前最大峰值功率为10 PW。在光参量啁啾脉冲放大(optical parametric chirped-pulse amplification, OPCPA)中，例如，常用的I型三硼酸锂（LBO）晶体（泵浦527 nm）也具有> 200 nm的增益带宽，但物理尺寸有限（<150 mm） 。但是，由于光参量放大没有随时间变化的增益饱和和增益变窄的特性，因此可以支持<20 fs的高能量超短激光脉冲，当前最大峰值功率为5 PW，并且最近在上海启动了100 PW OPCPA激光设备（→上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室科研人员在100拍瓦激光装置中的高性能种子源研究方面取得进展，利用级联光参量放大（OPA）技术产生高性能910nm种子源，并应用到硬X射线自由电子激光装置极端光物理线站100PW激光装置。）。

▲种子源的光谱图、脉宽图

作为亿瓦级激光器的下一步，可以考虑的两种方法。一种是增加脉冲能量，另一种是减少脉冲持续时间。、前一种方法强烈依赖于开发大型激光放大材料（尤其是Ti：蓝宝石和非线性光学晶体）或增加光束线数量（设备规模）。这种方法必须面对技术、工程和经济问题，例如大型Ti：蓝宝石放大器中的寄生激光发射。当前，光周期级超快激光技术的飞速发展使得后一种方法越来越有吸引力，并且有可能突破这一瓶颈。

目前，全世界千兆瓦激光器的设施规模很大，项目投资也很高。超强激光的未来在于通过压缩脉冲持续时间而不是增加脉冲能量来进一步增加峰值功率。

在他们之前的研究中，该小组开发了一种新的设计——广角非共线光学参量啁啾脉冲放大(WNOPCPA)，以增加放大的光谱并相应地减少压缩脉冲。

▲图2.（a）先前和（b）新设计的WNOPCPA的示意图。α是晶体中泵浦的发散角，Δα是两个相邻的离散子束之间的角度间隙，n是折射率。（c）I BBO型和I LBO型的角度。

WNOPCPA的关键机制是通过使用对应于不同放大光谱的多光束泵浦来增加总带宽。

在新改进的设计中，通过使用双光束泵浦WNOPCPA和精心优化的相位匹配，完全避免了泵浦干扰，并实现了具有两个宽光谱的超宽带带宽，导致< 10 fs的高能激光放大。

当这种激光器与后压缩技术相结合时，由非线性效应引起的光谱展宽显著增强，并且模拟显示最高峰值功率的记录可以被推到艾瓦级。

研究人员称这种设计有两个优点：一个是WNOPCPA中的超宽带放大，另一个是后压缩中非线性光谱展宽的增强。这项研究可能会为进一步提高激光峰值功率提供一种可能的方法，甚至可以达到亿瓦级。

毫亿瓦级激光器的概念图。图片来源：大阪大学

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