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PETAL前端设计

2008-07-05 11:39
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  法国原子能委员会的研究人员在ASSP 2008会议上报道了基于OPCPA技术设计的PETAL前端装置。过去十年快点火和惯性约束聚变应用进展推动了大量的超高能基础设施的发展。高能拍瓦项目将多皮瓦千焦光束和纳秒多千焦光束结合(原文如此),为超高强度科学、极端等离子体物理、天体物理学、射线照相术及快点火提供了独特的实验条件。


  PETAL设备发射波长为1053nm、能量为3.6kJ、脉宽为500fs的脉冲,是LIL基础设施的附加短脉冲光束,它基于啁啾脉冲放大(CPA)技术并采用合成孔径压缩方案。PETAL放大器部件具有与LIL/LMJ放大器部件相同的结构。这种现代多拍瓦玻璃激光器要求空间和时间整形种子光束,而且放大器的矩形结构要求前端注入为矩形、超高斯空间轮廓以改善能量提取,除此之外,为了改善重压缩之后的时间衬比,需要控制时间和空间轮廓。为了满足上述要求,采用光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)设计PETAL的前端系统结构,对于超短激光脉冲的高能放大这是一项卓有成效的技术,它可以以高增益、高能稳定性、高转换效率、低B-积分、良好光束质量、高时间对比度放大超宽带脉冲。高能激光器的纳秒脉冲用于泵浦大型OPCPA系统,合理设计OPCPA激光系统可以为高能掺钕玻璃放大器提供种子光。


  PETAL前端系统的光学布局如下图所示,包含两个激光器系统(信号和泵浦激光器)和两级OPA。


  泵浦模块是前端系统的关键部件之一。单频振荡器(IDIL)发射波长为1053nm的初始单模波。为减少ASE噪音,Yb3+光纤放大器工作在超饱和状态,将连续波功率放大到500mW,具有窄激光线宽(<1pm)和良好信噪比(60dB)。随后利用一个声光调制器产生重复频率为100Hz、脉宽为100ns的时间选通脉冲,降低次级时间脉冲整形系统输出的平均功率,声光调制器由任意波形发生器驱动的电光马赫-曾德尔干涉仪组成,这一系统与OPA级的啁啾信号种子脉冲同步,为时间脉冲整形提供了可编程性。时间整形也可以用于补偿泵浦能量放大阶段的饱和效应,为了在OPA级产生一个常量增益,希望得到一个平顶时间轮廓。随后定义脉冲整形系统的轮廓,在泵浦模块输出端获得5ns超高斯时间轮廓。时间整形脉冲在高稳态二极管泵浦正反馈放大器中放大为50mJ,增益介质是掺3%钕的磷酸盐玻璃,采用二极管板条侧面泵浦,折叠腔的光学长度是12m。


  输出能量为400mW、重复频率为77.76MHz、与主振荡器同步的锁模Ti:Sa振荡器生成超短种子脉冲。利用泡克耳斯盒从脉冲列中选择一束脉冲送入Öffner 展宽器,展宽器输出的展宽脉冲耦合进入保偏单模光纤(长110m,直径5μm)之后送入OPA级。


  基于不同的非线性介质OPA由两级构成,两个级联25mm长LBO晶体作为第一级,而15mm长BBO晶体作为第二级,每一级分别由150mJ、2×2mm2和600mJ、 4×4mm2器件泵浦。为了隔离信号光的多余能量,泵浦光和信号光之间的内部非共线角为0.5°。第一阶段以较小的泵浦损耗产生高增益,第二阶段为了达到高稳态并将空间和时间整形泵浦光转化为信号光,工作在超饱和状态。


  仔细调整泵浦光和信号光产生150mJ放大信号脉冲,泵浦光到信号光的整体转换效率是20%,结合一个锯齿光阑与一个空间滤波器整理光束获得尖锐空间边缘,最后获得理想的超高斯方形光束具有良好的光束质量。

 

 

OPCPA实验装置图

 


  (助编:xiaohu)

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