千兆兆瓦级激光器的研发之路

时间:2021-03-04 09:54来源:国际工业激光商情作者:xuji 点击:
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摘要:具有超短脉冲和超高能量的超高强度激光器,是探索物理学、宇宙学、材料科学等领域未知事物的强大工具。在啁啾脉冲放大(CPA)技术的帮助下,目前超高强度激光器的纪录已经达到了10皮瓦(或1016瓦)。近期,大阪大学的研究人员在《科学报告》发表了一项研究报告,提出了下一代超强激光器的概念,其模拟峰值功率可达到千兆兆瓦级(1千兆兆瓦级等于1000皮瓦)。 1960年,

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具有超短脉冲和超高能量的超高强度激光器,是探索物理学、宇宙学、材料科学等领域未知事物的强大工具。在啁啾脉冲放大(CPA)技术的帮助下,目前超高强度激光器的纪录已经达到了10皮瓦(或1016瓦)。近期,大阪大学的研究人员在《科学报告》发表了一项研究报告,提出了下一代超强激光器的概念,其模拟峰值功率可达到千兆兆瓦级(1千兆兆瓦级等于1000皮瓦)。

 

1960年,Maiman博士发明的激光器具有高强度(或脉冲激光的高峰值功率)的重要特征:从历史上看,激光峰值功率经历了两个发展阶段。激光器诞生后,调Q和锁模技术将激光器的峰值功率提高到千瓦(103瓦)和吉瓦(109瓦)量级。1985年,GérardMourou和DonnaStrickland发明CPA技术之后,避免了材料损坏和光学非线性,激光峰值功率显着提高到了太瓦(1012瓦)和皮瓦(1015瓦)量级。

 

目前,两个10皮瓦CPA激光器分别在欧洲(ELI-NP激光器)和中国(SULF激光器)进行过演示。世界各国的皮瓦激光器设备规模很大,而且项目的投入资金很高。未来,提高超强激光器峰值功率的发展方向,是通过压缩脉冲持续时间替代增加脉冲能量。

 

在大阪大学先前的研究中(OSAContinuum,DOI:10.1364/OSAC.2.001125),研究团队开发了一种全新的设计⸺广角非共线光学参量啁啾脉冲放大(WNOPCPA)技术,以增加放大的光谱,从而减少压缩的脉冲。WNOPCPA技术的关键机制是利用多束泵浦增加带宽,多束泵浦也对应了不同的放大光谱。“然而,将WNOPCPA技术应用于大型工程,除了可能造成的破坏外,泵浦干扰也是一个潜在问题。”本文作者表示。

 

在改进设计中,研究团队通过使用两光束泵浦WNOPCPA和精心优化的相位匹配,完全避免了泵浦的干扰问题,在双宽光谱的超宽带带宽条件下,实现了小于10fs的高能激光放大。当激光器与后压缩技术相结合时,非线性效应引起的光谱展宽得到了显著增强,仿真结果表明激光器的最高峰值功率可以达到千兆兆瓦级。

 

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千兆兆瓦级激光器概念图(图片版权:大阪大学)

 

“这种设计有两个优点:一是WNOPCPA技术的超宽带带宽放大,二是压缩后非线性光谱展宽的增强。这项研究可能为进一步提高激光器的峰值功率提供了一种可行性方案,甚至可以达到千兆兆瓦级。”作者最后谈到。

 

 

延伸阅读

 

2018年10月,瑞典皇家科学院揭晓了当年的诺贝尔物理学奖。获奖的三位科学家在激光物理领域取得了开创性发明。奖金的一半授予美国贝尔实验室的ArthurAshkin,表彰他所发明的光镊技术,并将此技术应用于生物体系。另一半奖金则被法国籍科学家GérardMourou(法国巴黎综合理工学院教授、美国密歇根大学名誉教授)和他的学生DonnaStrickland(加拿大滑铁卢大学副教授)所分享。他们提出的啁啾脉冲放大(CPA)技术是未来超强超短脉冲激光器的主要发展方向。

 

在CPA技术之前,直接放大激光脉冲的能量,进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈。在直接放大过程中,激光脉冲的超高峰值功率密度(功率密度=功率/聚焦光斑的面积)极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件(其效果类似于用放大镜把太阳光聚焦到报纸上的一个小点,很容易将其点燃烧毁)。其次,直接放大的激光脉冲时间尺度太短,不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。

 

随着CPA技术的出现,激光聚焦功率密度实现了飞跃式提升。CPA系统大致可分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器。关键是在直接输入放大器之前,先利用展宽器对振荡器输出的超短飞秒(皮秒)脉冲引入一定的色散,将脉冲宽度在时域上展宽约百万倍,至百皮秒甚至纳秒量级;这样不仅极大降低了峰值功率,而且保证了单位面积上的能量密度;然后在放大器中进行放大,这样既降低了相关元件损伤的风险,又避免了增益饱和等许多不利的非线性效应,有利于高效吸收增益介质储存能量;等获得较高的能量以后,再通过压缩器补偿色散,将脉冲宽度压缩回飞秒(皮秒)量级。

 

自CPA技术之后近30多年里,不仅激光的峰值功率及强度提高了近10个量级,而且激光装置的体积及成本也大大降低。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:xuji )
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