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超强激光科学卓越创新简报

(第一百二十二期)

2020年7月15日

上海光机所利用高性能200TW/1Hz激光驱动产生高质量高稳定性电子

  中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,对“新一代超强超短激光综合实验装置”中的200TW/1Hz激光进行性能升级,并利用此激光驱动产生了高质量高稳定性电子。该研究为高峰值功率飞秒激光系统的建设提供了技术指导,为台式化X射线自由电子激光器的实现提供了原理验证。相关成果发表于《光学与激光技术》(Optics and Laser Technology)。

  “新一代超强超短激光综合实验装置”激光系统于2015年正式运行,旨在通过激光尾波场加速产生高亮度X射线源。其中,所产生电子的稳定性是装置性能的重要指标。电子的高稳定性将会促进在单能伽马射线源,电子医疗等方面的实际应用。

  激光尾波场加速是一个高度的非线性过程,所产生电子的性能与驱动激光的参数密切相关。为了获得高质量高稳定的电子,该研究团队对200TW/1Hz驱动激光做了全面升级。在稳定性方面:通过优化放大器的泵浦源和放大模式,放大激光的能量稳定性达到了0.55%(std);通过优化实验室振动、温度、气流,引入光束自准直技术,激光在靶点的指向稳定性达到了1.5μrad(std)。该指向稳定性(90分钟)是目前所知高峰值功率激光系统最好的测量结果。在时空质量方面:通过优化光谱的全局位相,实现了近傅里叶变换极限的脉宽;通过控制系统中光学元件的静态波前畸变,实现了近衍射极限的焦斑。最终,利用f/30离轴抛面镜获得了6.2×1018W/cm2的峰值聚焦强度,是升级前的2.6倍。

  得益于200TW/1Hz驱动激光的性能提升,该研究团队于2019年获得了高质量高稳定性的电子。在连续300发实验中,电子的重复率达到了100%,电子的平均峰值能量为667MeV,峰值能量抖动为3.4%(std)。该结果是X射线自由电子激光器研究方面的重要突破。(强场激光物理国家重点实验室供稿)

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图1 200TW/1Hz驱动激光升级工程图

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