上海光机所在突破钛宝石超强超短激光“10拍瓦上限”方面取得技术进展

2024-01-23 17:04

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与上海科技大学合作，在突破钛宝石超强超短激光“10拍瓦上限”方面取得技术进展，相关成果以“Coherently tiled Ti：sapphire laser amplification： a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintense lasers”为题，发表于Advanced Photonics Nexus，并被选为封面文章。

自1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“上海超强超短激光实验装置（SULF）”、2019年的10拍瓦“欧盟极端光设施之核物理ELI－NP”，峰值功率的大幅提升得益于大口径激光增益介质从“钕玻璃”向“钛宝石”的转变，使得高能激光脉宽从约500飞秒减小至约25飞秒。然而，10拍瓦似乎是钛宝石超强超短激光的峰值功率上限。目前从10拍瓦向100拍瓦发展规划来看，国际上普遍抛弃了基于钛宝石的啁啾脉冲放大技术Ti：sapphire－CPA，转而采用基于DKDP非线性晶体的光参量啁啾脉冲放大技术DKDP－OPCPA。但是后者存在“泵浦－信号”转换效率低和“时空－光谱－能量”稳定性差等不利因素，这对超强超短激光的发展和应用提出了挑战；相反，前者作为已经成功实现10拍瓦激光稳定输出的成熟技术，其在“后10拍瓦时代”潜力依然巨大。

图1 拼接钛宝石啁啾脉冲放大技术。

为突破钛宝石超强超短激光的“10拍瓦上限”，本研究中，团队提出和验证了拼接钛宝石啁啾脉冲放大技术Tiled－Ti：sapphire CPA（T－CPA），既能增大钛宝石口径，又能截断横向寄生振荡，还能规避复杂时空控制。研究团队在100 太瓦级超强超短激光平台上成功完成了高时空性能的实验演示并获得理想结果。该工作为突破钛宝石超强超短激光“10拍瓦上限”和开发百拍瓦级超强超短激光提供了技术手段。