撰稿：楊思達，甘澤彪

超強超短激光具有廣泛的應用前景，是當今國際科技競爭(zheng) 重大前沿領域之一。啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）和光學參量啁啾脈衝(chong) 放大（OPCPA）是目前獲得超強超短激光脈衝(chong) 的兩(liang) 大技術途徑，其中CPA技術具有轉換效率高、輸出穩定可靠、對泵浦源要求較低等優(you) 點，是研製數拍瓦甚至10PW激光用戶的首選方案。上海光機所承建的“上海超強超短激光裝置”（SULF）采用CPA技術路線，結合了高對比度預放大前端與(yu) 終端大口徑鈦寶石啁啾脈衝(chong) 放大器，在2017年底率先實現了國際上首例峰值功率為(wei) 10PW量級的激光脈衝(chong) 輸出。

在SULF 10PW激光原型裝置中采用大口徑釹玻璃片狀放大器泵浦終端鈦寶石晶體(ti) ，實際實驗中終端鈦寶石放大器的泵浦-信號轉換效率相對較低隻有約32%。泵浦源係統兩(liang) 小時一發的重複頻率導致整個(ge) 激光係統性能難以進行有效優(you) 化，同時也影響了該係統用於(yu) 服務物理實驗的運行效率。因此，上海光機所在SULF 10PW激光用戶裝置係統中采用了時域多脈衝(chong) 泵浦的技術方案解決(jue) 上述兩(liang) 個(ge) 問題。

時域多脈衝(chong) 泵浦方案將原單路高能量的泵浦脈衝(chong) 替換為(wei) 多台百焦耳重複頻率釹玻璃激光器輸出的泵浦小脈衝(chong) ，以此達到主動控製鈦寶石多通放大器每一程中橫向增益的目的。每台百焦耳重複頻率釹玻璃激光器由兩(liang) 個(ge) 放大鏈路組成，每路放大鏈由兩(liang) 級Φ10mm口徑棒狀Nd:YLF放大器、兩(liang) 級Φ25mm口徑釹玻璃棒狀放大器以及兩(liang) 級Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器組成。種子源為(wei) 輸出波長1053nm、單脈衝(chong) 能量3mJ、脈衝(chong) 寬度16ns、頻率1Hz的種子光，經過多次像傳(chuan) 遞擴束及能量放大，最終單路放大器鏈輸出的基頻光單脈衝(chong) 能量約為(wei) 80J，兩(liang) 路基頻光偏振合束後通過二類LBO倍頻器最終輸出能量約為(wei) 100J的倍頻光，釹玻璃激光器結構圖如下圖所示。

圖1 百焦耳重複頻率釹玻璃激光器三維結構圖

泵浦源係統的能量穩定性對於(yu) 超強超短激光裝置至關(guan) 重要，實驗針對激光器在不同重複頻率條件下工作所產(chan) 生的熱致波前畸變進行測量，以此確定能夠使係統穩定安全工作的重複頻率。熱效應實驗采用波前探測儀(yi) 進行測量，用其測量出的PtV和RMS值可反映出光束質量受熱效應影響的大小。
熱效應實驗分別在一分鍾一發、兩(liang) 分鍾一發以及三分鍾一發的重複頻率下對釹玻璃激光器進行測量，實驗發現在一分鍾一發的重複頻率下PtV和RMS值隨著工作時間增加不斷提升，且在工作僅(jin) 數發之後光斑出現了劣化，之後在兩(liang) 分鍾一發的重複頻率下PtV和RMS值在工作約20分鍾後趨於(yu) 穩定，但在工作約40分鍾後出現光斑劣化。最終在三分鍾一發的重複頻率下釹玻璃激光器可實現穩定地連續運轉，PtV和RMS值統計結果如下圖所示，激光器輸出的倍頻光脈衝(chong) 能量穩定，光斑均勻呈近平頂分布，可用於(yu) 安全地泵浦主放大光路中的大口徑鈦寶石晶體(ti) 。

圖2 PtV和RMS值統計

目前泵浦源係統能夠安全地運轉於(yu) 三分鍾一發的條件下，未來為(wei) 了進一步提升百焦耳泵浦激光器的重複頻率，將會(hui) 針對Φ50mm口徑釹玻璃棒狀放大器的水冷係統結構進行改進，最終將會(hui) 使得重複頻率提升至一分鍾一發。

論文鏈接：https://www.opticsjournal.net/Articles/abstract?aid=OJc47f15c637b70f25