導讀
基于啁啾脈沖放大（CPA）技術，超強超短激光裝置的峰值功率在過去數十年間已經從太瓦提高到了10拍瓦（1 PW=1015W）量級，并逐步走向重復頻率工作模式。目前，100 PW量級激光裝置的建設及其前沿應用也成為了當前的國際研究熱點。然而面向更高峰值功率激光，現有的CPA技術進一步發展受到鈦寶石晶體口徑以及固有橫向寄生激光效應等的限制。相比之下，基于大口徑非線性晶體的光學參量啁啾脈沖放大（OPCPA）將成為實現100 PW峰值功率激光最可行技術方案之一。
最近，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊報道了極端光物理線站（Station of Extreme Light，SEL，是上海硬X射線自由電子激光裝置項目中的重要內容）SEL-100 PW激光裝置前端建設進展。該前端裝置利用基于LBO晶體的三級OPCPA放大器，通過使用高信噪比寬帶種子源注入，獲得了大于200 nm的寬帶放大。結合精密色散控制技術，獲得了13.4 fs（1fs=10-15s）壓縮脈寬，實現了目前百太瓦量級OPCPA激光器中最窄脈寬輸出。團隊自研的重頻泵浦源技術使該前端裝置成為世界上首個工作在重頻模式下的百太瓦量級（>250 TW / 0.1 Hz）OPCPA激光裝置。
圖1 SEL-100 PW裝置0.1 Hz/200 TW級OPCPA前端示意圖
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Xinliang Wang, Xingyan Liu, Xiaoming Lu, Junchi Chen, Yingbin Long, Wenkai Li, Haidong Chen, Xun Chen, Peile Bai, Yanyan Li, Yujie Peng, Yanqi Liu, Fenxiang Wu, Cheng Wang, Zhaoyang Li, Yi Xu, Xiaoyan Liang, Yuxin Leng, Ruxin Li, "13.4?fs, 0.1?Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9894358, 8 pages, 2022.
基于啁啾脈沖放大（CPA）技術，超強超短激光裝置的峰值功率在過去數十年間已經從太瓦提高到了10 PW（1PW=1015W）量級，并逐步走向重復頻率工作模式。目前，100 PW量級激光裝置的建設及其前沿應用也成為了當前的國際研究熱點。如，美國羅切斯特大學的EP OPAL項目計劃基于OPCPA方案，使用中心波長位于910 nm的DKDP晶體搭建一套75 PW激光器，2021年其技術開發平臺通過使用70%氘化率的DKDP晶體實現了單發次運行的21.5 fs/350 TW輸出指標。俄羅斯應用物理研究所（Institute of Applied Physics）也提出了XCELS（eXawatt Centre for Extreme Light Studies）項目，該項目期望搭建12路通道的中心波長位于910 nm的15 PW光束，并使用相干組束方案實現180 PW的輸出，目前驗證了基于DKDP晶體單發43 fs /560 TW輸出指標。此外，2016年中國工程物理研究院完成基于全OPCPA技術路線的單發4.9 PW峰值功率輸出，是目前基于OPCPA技術路線最高峰值功率。然而，目前已報道的100 TW或PW級OPCPA激光系統均為單發次運行模式，并且脈沖寬度約為20 fs。發展重頻百太瓦乃至更高量級，脈寬小于15 fs的OPCPA裝置依然面臨巨大挑戰。2018年，上海硬X射線自由電子激光裝置項目（ SHINE）啟動，其中一個重要組成部分是極端光物理線站（Station of Extreme Light，SEL），該線站將搭建一套100 PW級激光器（SEL-100 PW），與硬X射線自由激光（XFEL）結合，用于強激光驅動的量子電動力學效應方面研究。
近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場物理國家重點實驗室研究團隊在SEL-100 PW裝置前端裝置建設方面取得突破。團隊通過三級基于LBO晶體的非共線寬帶OPCPA系統，結合自研的重頻大能量泵浦源技術，成功實現了光譜寬度大于200nm，能量為5.26J，重頻為0.1 Hz的放大脈沖輸出。并通過寬帶脈沖的精密色散控制，獲得了13.4fs的壓縮脈寬，可支持的最高脈沖峰值功率為263TW。相關研究成果以 "13.4 fs, 0.1 Hz OPCPA Front End for the 100 PW-Class Laser Facility"為題發表于Ultrafast Science。這也是繼2002年，在國際上首次建成基于OPCPA新原理的小型化10太瓦級超短超強激光裝置后,上海光機所在該領域取得的又一進展。
為了獲得寬帶光參量放大，團隊采用了非共線相位匹配技術方案，并綜合比較了BBO、LBO和DKDP這三種常用非線性晶體特性。在泵浦強度為1 GW/cm2時，三種晶體在925 nm中心波長下的寬帶增益譜如圖2所示。與BBO和DKDP（D=80%）相比，LBO具有合適的非線性系數（0.79 pm/V），口徑可達100 mm、走離角最小（0.47 °）等特點，并且在925 nm中心波長附近具有最寬的增益光譜（202 nm，半高全寬）。此外，LBO晶體能夠覆蓋DKDP（D=80%）的增益光譜，從而確保SEL-100 PW前端的輸出光譜可以完美地支持基于DKDP晶體的OPCPA終端放大器。
圖2 BBO，LBO以及摻氘率80%的DKDP晶體在1GW/cm2光強下的增益譜
該前端采用雙光柵展寬器對高信噪比種子光進行展寬，啁啾率為14.2 ps/nm。展寬后種子光注入三級基于LBO的OPCPA放大器。基于自行研制的25 J/0.1 Hz泵浦激光，最后得到5.26 J的寬帶激光輸出。圖3(a)給出三級OPCPA放大器輸出光譜，光譜全寬為210 nm。圖3(b)-(e)對應后兩級OPCPA泵浦以及信號光斑。
圖3 (a)三級OPCPA放大光譜曲線。(b),(c)第二/三級OPCPA泵浦光斑; (d),(e)第二/三級OPCPA信號光斑
第三級OPCPA之后，放大的脈沖注入真空壓縮器。利用OPCPA前端系統材料色散較小，雙光柵展寬器與共軛壓縮器的色散匹配等特性，在沒有額外使用高階色散補償器件的情況下，僅通過優化壓縮器中光柵對的距離和角度，團隊獲得了近傅里葉極限變換的壓縮脈寬，典型的脈沖寬度為13.4 fs，如圖4所示。由于真空壓縮器傳輸效率為67%，因此該前端裝置可以支持峰值功率263 TW、重頻0.1 Hz的激光輸出。
圖4 脈沖脈寬數據
總結與展望
第一作者：王新亮，中科院上海光機所副研究員，主要研究方向為超強超短激光技術。以第一/通訊作者在Ultrafast Science、Optics Express、Applied Optics等期刊發表研究論文8篇，入選上海市青年科技英才揚帆計劃項目。
通訊作者：陸效明，中科院上海光機所副研究員，主要從事強場激光技術工作。以第一/通訊作者在Optics Letters、IEEE J SEL TOP QUANT、High Power Laser Science and Engineering等期刊發表研究論文多篇。
通訊作者：許毅，中科院上海光機所研究員，中科院青年創新促進會優秀會員。長期從事超強超短激光裝置研制及關鍵技術研究。是國家重大科研儀器設備研制專項、上海超強超短激光實驗裝置（SULF）和SEL-100拍瓦大科學裝置等重大科技項目的關鍵系統負責人。相繼負責并完成了高性能重復頻率的百太瓦級驅動激光裝置、SULF-1拍瓦重頻激光裝置以及SEL-100拍瓦激光裝置樣機的研制。主持研制的高性能超強超短激光裝置，已成功應用于激光粒子加速及次級輻射源產生等前沿研究領域，驅動支撐的多項突破性研究成果已相繼發表在Nature（封面文章）, 595, 22 (2021) / Phys. Rev. Lett，126, 214801 (2021) / Phys. Rev. Lett（編輯推薦文章），117, 124801 (2016) 。近年來，以第一/通訊作者發表SCI論文20余篇，獲授權發明專利10余項。
通訊作者：冷雨欣，研究員，主要從事超強超短激光技術及其前沿重要應用等方面的研究。目前主持中國科學院戰略性先導科技專項(B類)項目“新型超強激光光場創立及其特性操控”等重要項目，并承擔國家重大科技基礎設施項目“上海超強超短激光實驗裝置”(SULF)和 “硬X射線自由電子激光裝置”(SHINE)中的“極端光物理線站”(SEL)中的重要任務。在本領域國際重要SCI刊物上發表論文150余篇，獲得授權發明專利40余項。曾獲得國家科技進步獎一等獎（第四完成人）、上海市科技進步獎一等獎2項，2015年入選上海市領軍人才計劃，2018年入選上海市優秀學術帶頭人，2019年度獲得基金委國家杰出青年科學基金項目基金資助，2019年入選國家百千萬人才工程等。
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