隨著超短超強激光技術的發展，目前人們已經能夠在數十飛秒的光脈沖中產生高達10PW的峰值功率，聚焦光強超過了1023W/cm2。這樣的光場能夠在實驗室內創造出具備超高能量密度、超高溫度、超強光電場、超強磁場和超快時間尺度的綜合性極端物理條件，在激光加速、激光聚變、等離子體物理、材料科學、阿秒科學等領域具有重要應用。然而對于具有預脈沖與自發輻射基底的飛秒脈沖而言，光強提升的同時也會導致這些噪聲的提升，當噪聲光強超過1011W/cm2時，所產生的預電離等效應會嚴重影響主脈沖與物質相互作用的效果，因此提升主脈沖與噪聲強度的比值，即時間對比度，是超快超強激光脈沖需要重點關注的研究內容之一。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心魏志義研究團隊多年來一直致力于飛秒脈沖激光放大及時間對比度提升的研究。早在2010年他們提出過非共線飛秒光參量放大產生高對比度種子脈沖的方法，將對比度提升到了10?11量級【Opt. Lett. 35, 3096(2010)】，并應用于飛秒超強激光系統中，研制成功對比度達10?1?量級、峰值功率達1.16PW的飛秒超強激光，不僅有效解決了對比度的問題，還創造了該類研究當時的最高峰值功率【Opt. Lett. 36, 3194(2011)】。在國家“十二五”重大基礎設施建設項目的支持下，近年來該研究組承擔了北京懷柔“綜合極端條件用戶裝置”中超快光場系統的部分工作。在飛秒激光超快實驗子系統（XD1）的研究建設任務中，該組博士后王羨之通過與子系統負責人王兆華副研究員、合作導師魏志義研究員的密切合作，提出了通過在單塊非線性晶體中級聯兩個二階非線性過程并配合光譜濾波提升飛秒放大激光對比度的新方案，利用極為簡單的結構直接產生了脈沖能量數百微焦耳的高穩定高對比度飛秒激光脈沖。圖1 系統結構圖。SPF:短通濾波片。LPF:長通濾波片其原理方案如圖1所示，由前級飛秒激光放大器輸出的光脈沖經過第一塊濾波片光譜整形之后入射到BBO非線性晶體中先產生二倍頻，之后倍頻光與基頻光的短波部分進行差頻產生波長更長的閑頻光；新產生的閑頻光被第二塊濾波片選出。在3mJ入射能量下，得到了單脈沖能量570μJ、主脈沖對比度高達10?11的輸出結果，且在14小時內的平均功率抖動RMS低至0.076%。該工作通過級聯兩個二階非線性過程，在較低的入射光強下得到了等效于三階非線性效應的對比度提升效果，無需真空系統，且兩個過程發生在同一塊晶體中，也無需延時控制，因此可以在空氣中直接產生數百微焦的高穩定高對比度飛秒脈沖，大大簡化了對比度提升單元的結構，在飛秒超強激光裝置研究中具有極大的應用潛力。圖2. 產生的高對比度飛秒激光脈沖的參數：(a) 各個位置處的光譜；(b) 入射脈沖與輸出脈沖的時間對比度；(c)輸出脈沖寬度；(d) 輸出脈沖的功率穩定性以及近遠場光斑分布相關結果發表于最近的Optics Letters【Vol. 47, No. 19, pp. 4981-4984 (2022)】上。這也是該團隊在飛秒激光時間對比度提升方面最新獲得的創新成果，并為懷柔綜合極端條件用戶裝置中飛秒激光超快實驗子系統的建設提供了重要支撐。前序成果包括Chin. Phys. Lett, 31, 014207(2014)、Chin. Phys. Lett, 34, 024205(2017)、Chin. Phys. Lett, 38, 074202(2021)等。這項工作也得到了中科院先導專項和國家自然科學基金的支持。
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