[发明专利]CPA、CPRA与OPCPA混合式超高峰值功率激光脉冲放大装置

说明书

技术领域

本发明涉及超高峰值功率激光脉冲放大装置，特别是一种CPA、CPRA与OPCPA混合式超高峰值功率激光脉冲放大装置。所述的CPA为啁啾脉冲放大的缩写，所述的CPRA为啁啾脉冲拉曼放大的缩写，所述的OPCPA为光参量啁啾脉冲放大的缩写，所述的超高峰值功率是指激光的峰值功率达到数拍瓦（1拍瓦=10¹⁵W）以上。

背景技术

自上世纪八九十年代以来，啁啾脉冲放大（以下简称为CPA）和光参量啁啾脉冲放大（以下简称为OPCPA）的发展为人类成功地提供了脉冲宽度达飞秒量级（10^-15s）、峰值功率达拍瓦（10¹⁵W）量级的超强超短激光脉冲。目前超强超短激光脉冲的聚焦强度已超过10¹⁸W/cm²，且最高的聚焦强度可达10²²W/cm²。如此高的聚焦强度极大地可拓展了相对论范畴内的强场科学的应用，促进了诸如x射线的产生、r射线的产生、相对论自聚焦、高能电子和质子加速、中子和正电子的产生等一系列研究领域的发展。

当激光聚焦强度进一步提升至超相对论光强时（大于10²³W/cm²），强场科学将进一步推进到超强场的全新范畴，从而开拓一系列超强场超快科学的新前沿新方向。特别是真空物理、暗能量与暗物质、强场高能量密度物理、探索小型化超高梯度粒子加速新原理、台式化高亮度X射线等超强激光场与物质相互作用的相关战略高技术领域涉及的若干基础科学问题。目前，世界上多个研究机构都在竞相发展和研制超高峰值功率飞秒激光系统，目标是基于数拍瓦甚至10拍瓦峰值功率的飞秒激光装置，实现大于10²³W/cm²的激光聚焦强度。其中具有代表性的两个在建的超高峰值功率飞秒激光装置分别是由英国卢瑟福实验室主持的Vulcan10PW激光装置和由欧盟主导和投资的ELI激光装置。

这两个超高峰值功率飞秒激光装置采用了不同的激光脉冲放大方案。其中Vulcan10PW装置基本上是采用纯OPCPA，其终端放大器拟采用基于大口径磷酸二氘钾（DKDP）非线性晶体的参量啁啾脉冲放大（OPCPA）；而ELI激光装置，虽然其前端采用了OPCPA，但是其主放大器，尤其是终端放大器则是拟采用基于大口径钛宝石的CPA。

CPA的基本原理是在放大前将飞秒量级的锁模脉冲展宽为数百皮秒甚至纳秒量级的啁啾脉冲，经逐级放大后再进行脉冲压缩，从而获得高峰值功率、短脉冲宽度的激光脉冲。而OPCPA和CPA最大的不同就是将CPA中的放大级替换为非线性光参量放大。这两种技术比较起来各有优劣势：CPA技术成熟，放大过程中能量稳定性和指向稳定性较好，且对泵浦激光系统的要求低于OPCPA技术，基于CPA技术的激光装置其运行相对简单一些。OPCPA、的能量稳定性、指向稳定性相对较差，且通常需要特定脉冲宽度的单纵模的泵浦激光系统，因此基于OPCPA的激光装置其运行将相对更加复杂。但是OPCPA有更高的单程增益、更小的热效应、更大的增益带宽、可支持更窄的飞秒激光脉冲。

基于现有的工程技术条件，尤其是在超高峰值功率飞秒激光装置的终端放大器中，OPCPA相比CPA更具有实施的可行性。因为，目前所能实现的钛宝石晶体尺寸（很难达到～200mm的口径）很难支持10拍瓦量级的CPA。且基于如此大尺寸的钛宝石，由于晶体横向尺寸是通光厚度的数倍以上，寄生振荡抑制成为一个关键难题，激光放大过程中的寄生振荡效应会对最终的放大效率造成严重的影响。而对于OPCPA而言，虽然其泵浦激光系统的复杂性更大一些，但是其所需的磷酸二氘钾晶体的尺寸（可大于200mm口径）足以支持10拍瓦量级的OPCPA，且OPCPA的单程增益高，不存在寄生振荡和热效应的影响。因此，终端放大器采用OPCPA技术应该更具有可实施性。