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超强激光科学卓越创新简报

(第一百二十八期)

2020年8月12日

上海超强超短激光实验装置(SULF)1PW/0.1Hz激光系统取得研究进展

  中国科学院上海光学精密机械研究所建设的上海超强超短激光实验装置(SULF)1PW/0.1Hz激光系统取得研究进展。SULF-1PW激光系统良好的重复频率性能、激光稳定性能和时域对比度性能,使其在相对论条件下激光-物质相互作用的研究过程中,可以发挥非常重要的驱动作用。相关建设情况和研究进展近期发表在《高功率激光科学与工程》上(High Power Laser Science and Engineering)。

  SULF是上海科创中心建设的重大科技基础设施之一。主要包括一套SULF-10PW激光系统和一套SULF-1PW激光系统等。其中SULF-10PW激光系统的重复频率将为1分钟每发次,SULF-1PW激光系统的重复频率为0.1Hz。SULF激光装置将为极端条件材料科学研究平台(DMEC)、超快亚原子物理研究平台(USAP)和超快化学与大分子动力学研究平台(MODEC)等三大实验平台提供驱动激光。

  SULF-1PW激光系统采用传统的两级啁啾脉冲放大(Chirped pulse amplification,CPA)结构,两级CPA系统之间由一个新型的脉冲时域净化装置相连接。该脉冲净化装置可以有效地结合交叉偏振波产生技术和飞秒光参量放大技术。在SULF-1PW激光系统中,终端放大器输出脉冲能量达到50.8J,脉冲重复频率为0.1Hz,放大脉冲能量稳定性为1.2% (std)。压缩后脉冲宽度可达29.6fs,实现了较高脉冲重复频率的拍瓦级超强超短激光输出。得益于新型的脉冲时域净化技术,激光主脉冲前80ps处的脉冲对比度可达2.5×10-11。通过对脉冲压缩器的角色散进行优化,获得了较好的聚焦光斑质量。利用f/26.5的离轴抛面镜可以实现2.7×1019W/cm2的聚焦峰值强度。此外,SULF-1PW激光系统还具有良好的激光指向稳定性,一小时内测得的水平方向和竖直方向的脉冲指向抖动分别为1.89 μrad (std) 和2.45 μrad (std)。SULF-1PW激光系统目前已处于试运行阶段,可以支持开展电子/质子加速及X射线辐射等方面的实验研究。在~300TW/0.1Hz激光条件下,电子加速实验可以重复产生300MeV的准单能电子,在~400TW/0.1Hz激光条件下,质子加速实验已经可实现14MeV的高能质子输出。

  随着超强超短激光技术的飞速发展,世界各地许多研究机构都在争相建设台式化的拍瓦级(1PW=1015W)高峰值功率激光装置,台式化拍瓦级激光装置已经成为在相对论条件下研究激光-物质相互作用的重要技术手段。在激光-物质相互作用的实验研究中,激光脉冲的重复频率具有非常重要的影响。因此,发展具有较高重复频率的拍瓦级激光装置,引起了相关研究领域内科学家们的广泛关注。

  近期的激光运行状况及物理实验结果表明,SULF-1PW激光系统良好的激光性能以及运行可靠性已经得到前期的实验验证。在后续的工作中,研究团队将致力于进一步提升SULF-1PW激光的时空质量。通过可编程声光调制器(AOPDF)和可变形镜(DM)的应用,有望在不久的将来实现更高的聚焦峰值强度。(强场激光物理国家重点实验室供稿)

  原文链接

SULF装置的布局图,及SULF装置中1PW/0.1Hz激光系统的试运行照片

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