基于啁啾脈沖放大(CPA)的激光系統(tǒng)，其輸出功率已到達(dá)太瓦甚至拍瓦量級，聚焦光強(qiáng)超過了10^22Wcm-2。這已被廣泛用于研究激光與物質(zhì)相互作用。這一領(lǐng)域過去三十年的迅猛發(fā)展表明激光的脈寬、能量和時(shí)間強(qiáng)度對比度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重大影響。特別引入注意的實(shí)驗(yàn)包括電子、離子加速和激光產(chǎn)生X光，高能物理和激光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子成像。目前世界上對高能密度現(xiàn)象感興趣的小組所依賴的裝置都是直接或間接用閃燈泵浦。同時(shí)過去十幾年用全二極管泵浦的激光系統(tǒng)(DPSSL)來產(chǎn)生高能飛秒或皮秒激光脈沖的方案也得到了大力的研究。最常用的Yb3+摻雜的放大介質(zhì)已經(jīng)被用在能量超過10焦耳的納秒激光脈沖放大。比如最近公布的LUCIA項(xiàng)目(Yb：YAG，14焦耳)，DIPOLE項(xiàng)目(Yb：YAG，10焦耳)和MERCURY項(xiàng)目(Yb：S-FAP，55焦耳)。進(jìn)一步，全世界許多項(xiàng)目都開始研究開發(fā)高能量量級的DPSSL(HECDPSSL)。
在德國耶拿的赫姆霍茲光學(xué)與量子電子學(xué)研究所，POLARIS激光系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)并服役了過去幾十年。日常的工作也正式開始。過去兩年內(nèi)在試驗(yàn)項(xiàng)目中，多達(dá)16000發(fā)已經(jīng)打到靶材上。POLARIS項(xiàng)目在1999年都已經(jīng)開始，當(dāng)時(shí)是為了開發(fā)高能密度的HECDPSSL來用于激光物質(zhì)相互作用的試驗(yàn)中。POLARIS目前的主要參數(shù)是：1030納米的中心波長，高達(dá)6.5焦耳的脈沖能量(到達(dá)靶材上有4焦耳)，144飛秒的脈沖時(shí)間，7.1平方微米的聚焦尺寸和5*10^12的自輻射放大(ASE)的時(shí)域?qū)Ρ榷取Ｔ谶@些參數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)可以得到3.5*10^20Wcm-2的峰值強(qiáng)度。據(jù)我們所知，POLARIS是目前最高功率和強(qiáng)度的二極管泵浦的激光系統(tǒng)。但激光系統(tǒng)仍在不斷開發(fā)以進(jìn)一步增加脈沖能量、減小脈沖時(shí)間和更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。本文中我們描述了POLARIS的架構(gòu)，包括最近才服役的A5放大器和才安裝的展寬-壓縮系統(tǒng)(雙CPA)。在一級CPA放大后，脈沖被用來產(chǎn)生交叉極化波(XPW)從而顯著提高了時(shí)間強(qiáng)度的對比度。進(jìn)一步，給出了脈沖在被放大、壓縮和聚焦后的時(shí)域、空間特性。該激光系統(tǒng)在峰值強(qiáng)度、時(shí)域?qū)Ρ榷群兔}沖穩(wěn)定性方面都最終適合高能量密度實(shí)驗(yàn)。
1. POLARIS激光的架構(gòu)
圖1給出了POLARIS激光系統(tǒng)的概述。系統(tǒng)采用了兩級CPA單元和六個(gè)放大平臺(tái)來放大激光脈沖。脈沖壓縮后在一個(gè)輻射防護(hù)掩體和靶室腔來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光鏈的種子脈沖是用商用(Coherent MIRA 900)的鎖模鈦寶石振蕩器產(chǎn)生的中心波長在1030納米、脈沖能量在7納焦耳、譜寬(FWHM)為20納米的脈沖。在進(jìn)入第一個(gè)再生放大器時(shí)，脈沖的時(shí)域已經(jīng)被展寬到20皮秒。A1放大器將脈沖能量增加到2毫焦耳。之后脈沖在進(jìn)入BaF2晶體做成的非線性XPW過濾器前再次被壓縮到130飛秒。對比度清洗后的脈沖被第二個(gè)展寬器再次展寬到2.5納秒的時(shí)域?qū)挾龋⒈坏诙€(gè)再生放大器A2進(jìn)一步放大至30毫焦耳的能量。而放大至焦耳量級是有一個(gè)中繼成像放大器(A2.5：輸出能量200毫焦耳)和兩個(gè)多次往返的非成像放大器(A3：輸出能量800毫焦耳和A4：輸出能量6.5焦耳)來完成。所有這些放大器都采用摻Y(jié)b3+氟磷酸作為活性介質(zhì)材料。被放大的脈沖要么被送到主壓縮器中，要么用作最終放大器A5的種子源。最后一級放大器采用Yb：CaF2在九路配置中作為活性介質(zhì)。目前其可以輸出的最大能力為16.6焦耳(種子光能量為2.7焦耳)。這級放大器的活性物質(zhì)使用120個(gè)激光二極管堆棧來泵浦，每一堆棧可以以300kW功率泵浦入940納米的2.5毫秒長的泵浦脈沖。A5放大器的壓縮和聚焦束線目前正在開發(fā)，并將很快完成。這里給出的所有實(shí)驗(yàn)，頂多只使用了A4放大器輸出的光。為了提高光束的聚焦度，脈沖在拼接光柵壓縮器壓縮后通過了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。使用f/2拋物鏡聚焦到靶室腔內(nèi)，可以得到3.5*10^20Wcm-2的峰值強(qiáng)度。
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