4-67  20 TW超短脉冲激光装置的研制

黄小军  魏晓峰  彭翰生  王晓东  袁晓东  周凯南 郭  仪  曾小明  林东晖  刘兰琴  张小民

过去的几年里，超高峰值功率的激光技术得到了迅速发展，聚焦功率密度可达到10²⁰ W/cm²。世界上建成或在建100 TW级以上的激光装置。本文介绍的20 TW激光装置，是正在研制的100 TW装置的中间放大级。

该激光系统的前端包括钛宝石自锁模飞秒振荡器、脉冲展宽器、再生放大器、f10和f 20钛宝石四程放大器。前端放大系统的输出能量大于300 mJ。通过光束整形后，将激光导入20 TW主放进行放大。

为了改善激光束的空间光束质量和提高光束填充因子，利用空间滤波器对前端输出的激光束进行了空间整形，使其变为超高斯光束，然后在20 TW的主放大器中进行全像传递，这种方式既克服了光束在传输过程中由于小菲涅尔数带来的衍射问题，又能保持较好的近场分布。这是本系统设计的特色和创新点。这是首次将超高斯光束整形技术及全像传递技术应用于CPA激光系统中。放大器中用凹面镜代替平面镜，整个放大器由四组4F系统的像传递系统组成。

20 TW主放大器的增益介质为f30´15的钛宝石晶体，该晶体对532 nm波长激光的吸收系数为1.5/cm，约90%的泵浦光被吸收，两端面镀增透膜，垂直切割。利用6台10 Hz重频的调Q 倍频的YAG激光器对钛宝石晶体进行双面泵浦。每端3台泵浦源共用一个空间滤波器，对泵浦光束进行像传递和扩束，以保证泵浦光传输到晶体端面上有合适的光斑尺寸并能保持良好的光束质量。

　　为了克服再生放大器中的增益窄化效应及预补偿放大过程中的光谱畸变，在飞秒振荡器后应用一个可编程的声光色散滤波器（AOPDF）。有啁啾的纵向声波在声光晶体中形成变间距的体衍射光栅。不同频率的光波将在晶体内不同位置发生衍射，从而获得不同的位相延迟。声波信号在晶体不同位置的振幅决定了光波频谱的衍射效率，从而控制光谱形状。当没有AOPDF时，再生放大器由于增益窄化效应输出的光谱宽度约为25 nm，而应用AOPDF后，再生输出的光谱宽度增加到40 nm以上，压缩后的脉冲宽度缩短为29 fs。压缩后脉冲的峰值功率大于20TW。