[發明專利]雙注入OPCPA相干組束超高功率激光系統

有效

• 申請號: 201410829187.6
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN105790061B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 李儒新;梁曉燕;彭純;於亮紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S3/10
• 分類號: H01S3/10;G02F1/39
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種雙注入式OPCPA相干組束超高功率激光系統，該系統將相干組束方法與雙注入式OPCPA混合式超高功率飛秒激光系統相結合，最終實現數PW乃至EW級的超高功率激光輸出。本發明該系統利用了OPCPA單程增益高和無熱效應等優點，使不同光束經過相同光路，大大降低了OPCPA放大中相位變化不確定性的影響和控制不同光束間同步性的難度，可以提高超高功率激光系統的相干合束效果，實現更高能量激光輸出。

技術領域

本發明涉及飛秒激光系統，特別是一種雙注入OPCPA相干組束超高功率激光系統。

背景技術

近幾十年來，超短超強激光器不斷發展，其峰值功率達到拍瓦(10¹⁵W)量級，聚焦峰值功率能夠達到10²¹W/cm²-10²³W/cm²。超短超強激光器為眾多學科領域提供了前所未有的實驗手段和極端物理條件，在超強場激光物質相互作用的實驗中得到廣泛應用，例如超快X射線輻射、高次諧波的產生、激光尾波場粒子加速和快點火激光核聚變等。對于絕大多數超強場激光物質相互作用實驗來說，起決定作用的是激光聚焦后焦點處的峰值功率密度。因此如何提高激光器的峰值功率密度是高功率激光領域的研究焦點。

然而受到激光介質和壓縮光柵等關鍵器件的工作口徑的限制，傳統的利用提高單束激光能量的方法已難滿足能量密度大幅提高的要求，因此多束激光相干疊加是未來提高峰值功率密度的有效途徑。峰值功率的大幅度提高(>10²⁵W/cm²)將為基礎量子電動力學提供理論和實驗驗證條件，例如，真空偏振效應、真空中正負電子對的產生等。相干光束疊加技術將為峰值功率的進一步提高(>10²⁵W/cm²)提供更可行的方法。將現有的CPA-OPCPA或全OPCPA超高功率激光系統與相干組束技術相結合無疑是大幅度提高激光功率的有效方法。傳統的相干合束方法是將分束后的脈沖分別放大壓縮(經過不同的放大過程和壓縮器)，再進行聚焦合束，但是相干合束法對單光束的光束質量和光束間的同步性要求極高，傳統相干合束法對超高功率激光系統的光束質量控制帶來極高的難度。

例如俄羅斯激光物理所實現的小能量OPCPA激光系統的相干組束試驗(見圖4)，獲得了迄今為止最短的相干合成脈沖，輸出能量為50μJ，脈沖寬度為49fs，頻率為10Hz，合成效率為97％。其實驗方法是將飛秒振蕩器1’產生75MHz脈沖，經過展寬器2’展寬，AOPDF3’預補償和電光調制器4’選頻，經分束鏡5’分為兩束光。第一光束經過非線性晶體6’放大，再經壓縮器7’壓縮后進入聚焦透鏡11’；第二光束經過非線性晶體9’放大，經壓縮器10’壓縮后進入聚焦透鏡11’。通過時間控制系統8’調節兩路光束間的延時，通過調節色散補償器件12’補償光柵差異造成的色散差異，使得兩束激光同時聚焦在焦點上發生相干疊加。13’為雙光束時間抖動測量系統，將測得的時間誤差信號傳遞給延時調節器件8’對延時進行調節。但是由于該實驗方法采用兩個非線性晶體放大、兩個壓縮器壓縮，引入了較大的光束間光學性能差異，增加了超高功率低重復頻率拍瓦激光系統的相干合束難度，如何減小光束間的差異成為超高功率飛秒激光相干疊加的關鍵技術。

發明內容

本發明的目的是提出一種雙注入OPCPA相干組束超高功率激光系統。該系統提出了雙注入式的激光放大和壓縮方法，形成了雙注入式相干組束模式。該系統利用了OPCPA單程增益高和無熱效應等優點，使不同光束經過相同光路，大大降低了OPCPA放大中相位變化不確定性的影響和控制不同光束間同步性的難度，可以提高超高功率激光系統的相干合束效果，實現更高能量激光輸出。

本發明的技術解決方案如下：