Sandrine Ricaud1, Vincent Leroux1, Caroline Richard1, François Lureau1, Andrei Baleanu2, Romeo Banici2, Andrei Gradinariu2, Constantin Caldararu2, Cristian Capiteanu2, Andrei Naziru3,4, Bogdan Diaconescu3, Vicentiu Iancu3,4, Razvan Dabu3, Daniel Ursescu3,4, Ioan Dancus 3,
Calin Alexandru Ur3, Kazuo A. Tanaka3,5, and Nicolae Victor Zamfir3
1 Thales LAS France, 78990 Élancourt, France
2 Thales Systems Romania, 060071 Bucuresti, Romania
3 Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics, IFIN-HH, 077125 Magurele, Romania
4 Physics Doctoral School, Bucharest University, 077125 Magurele, Romania
5 Laser Engineering, Osaka University, Osaka 565-0871, Japan (Received 7 March 2022; revised 31 March 2022; accepted 17 May 2022)
摘要
我们报告了由极端激光基础设施-核物理设施的高功率激光系统所产生和传输的10.2PW峰值功率激光脉冲。在这项工作中，据我们所知，我们首次展示了功率水平超过10PW的全能量、全孔径、激光脉冲的压缩和传播。
关键词：高功率激光，超短激光脉冲
1、介绍
世界上已有激光系统输出超过1拍瓦的高峰值功率[1]。在这项工作结果展示之前，Sung等[2]报告了一套激光系统输出4.2PW峰值功率，Zeng等[3]报告了4.9PW峰值功率，两者都采用了啁啾脉冲放大(CPA)方案[4]。最近，Yoon等[5]展示了采用CoReLS拍瓦激光器获得 1023W/cm2峰值功率密度。更高功率的10PW激光器正在建设中[6–8]。这些前所未有的功率水平为从核物理、非线性量子电子动力学到空间科学和医学应用等基础和应用研究中的实验研究奠定了坚实的基础[9,10].
2、10拍瓦全功率激光脉冲展示
在本文中，我们报告了使用极端光基础设施-核物理（ELI-NP）设施的高功率激光系统（HPLS）产生10.2PW峰值功率。HPLS使用混合CPA–OPCPA（光学参量CPA）架构，并具有两个光臂，使其能够以每分钟1发的重复频率提供两束10PW激光脉冲的光束。
Lureau等[11]详细展示了HPLS高功率激光系统。该系统包括从前端的6fs Ti：Sa激光振荡器到压缩器和诊断工作台，双臂放大链的架构细节对应于系统的六路输出：两路输出10Hz 100TW ，两路输出1Hz 1PW ，两路输出1分钟1发10PW 。除了对整个HPLS的描述外，还报告了放大器的运行情况，这些放大器在10PW压缩器的入口处提供超过300J的能量。在这项工作中，完全放大的脉冲被衰减并传输到压缩器后面的诊断工作台，证明脉冲宽度可压缩至低达22.7fs。当时不可能通过压缩器传输放大脉冲的全部能量，因为在没有专用光束吸收器的情况下脉冲的潜在背反射会对激光系统的完整性造成问题。
图1.测试过程中相关器件装置示意图：G1–G4，大尺寸压缩器光栅；M1，漏光镜；M2与M3，导光镜；WP，高光学质量真空观察窗；BS，分光镜；ENERGY，能量计；WIZZLER，自参考光谱干涉仪。
图2.在传输线末端为该实验安装的10PW光束吸收器的图片。
本文报告了全能量10PW脉冲的产生和传输到实验区域的首次演示。在本演示中，全孔径和全能量激光脉冲在专用的10PW压缩器中压缩，并使用激光束传输系统（LBTS）在真空中传输超过30m的距离到其中一个实验区域（见图1）。在实验区，脉冲被吸收在10PW光束吸收器（由Gentec-EO制造）中。该光束吸收器放置在真空外壳中，并使用以不同入射角放置的吸收性玻璃板，以吸收大部分光并抑制可能耦合到激光系统中的任何背反射激光（见图2）。
请注意，在Lureau等[11]的报告中，我们对ELI-NP的激光系统进行了详细的设计描述，并展示了该系统提供10PW脉冲的能力，而在本报告中，我们展示了10PW脉冲的完整产生和传输的结果。
我们使用一个位于压缩器后面的经过校准的诊断工作台，如图1所示，以测量激光脉冲的发射能量、持续时间和光束轮廓。缩束望远镜的第一面镜子是非球面镜，通光孔径为580mm，极点曲率为9695mm。
我们根据最后一个放大器输出端的全放大能量校准了能量计。在使用高能量脉冲期间，诊断台上的校准能量计测量M1和两个分束器BS传输的总能量的比例。考虑到74.2%[11]的压缩效率，我们在真空压缩器出口处的HPLS提供最高可达251J的输出能量。
如Lureau等[11]所述，通过使用光楔对压缩器前面的全孔径和全能量光束进行衰减获得低能量水平光束，以便在诊断台上测量脉冲宽度。根据脉冲的特定时空畸变，脉冲孔径不同位置的脉宽子孔径测量可能会有所不同。因此，我们选择确定全孔径光束的脉冲宽度。为了实现这一点，脉冲光被衰减和缩束以匹配Wizzler输入要求，并使用二阶自相关仪交叉检查数值。我们使用自参考光谱干涉仪（Wizzler，由Fastlite制造）来测量光谱相位（见图3）并确定脉冲形状和宽度（见图4）。为了在诊断工作台上达到最佳压缩，使用安装在激光系统中的声光可编程色散滤波器（Dazzler，由Fastlite制造）优化了光谱相位[11]。在半高全宽（FWHM）下测得的中心峰的优化脉冲宽度为21.7fs，如图4所示。按数值计算傅里叶变换极限的脉冲宽度为19.9fs。通过数值积分，我们计算出88%的能量在主峰（图4中的蓝色虚线之间）传输，而其余12%的能量对应于两个对称的边峰。
在诊断台上测量的脉冲宽度与真空压缩器输出端的脉冲宽度不同，因为它被漏光镜M1、真空窗口WP和分束器BS引入的色散所改变，其中BS安装在诊断台的Wizzler之前（见图1）。所有这些光学元件均为熔石英材料，45◦M1厚度为91.6mm，WP厚度为65mm，BS厚度为2mm。我们计算了由这些光学元件引入的色散Φ(2)=5730fs2,Φ(3)=4350fs3以及Φ(4)=-1809fs4 。我们使用前面提到的声光可编程色散滤波器来补偿这些光学元件引入的色散。通过这种方式，可以确保在HPLS的主输出端提供大致相同的脉冲宽度（21.7fs）
图3.使用Wizzler测量的光谱和光谱相位。
图4.使用Wizzler测量的脉冲的时间分布。用于计算主峰下的能量比的区域用蓝色虚线表示。主峰中总共包含88%的能量。
图5.10PW演示期间的功率演变。脉冲在10分钟内发出。在每个数据点顶部标记显示10PW级放大器中的泵浦能量。
如图5所示，通过整个系统（包括压缩器、LBTS和光束吸收）以全能量依次发射10发脉冲光，主输出端的脉冲宽度优化为最小。在前八次发射中，我们通过逐步启动相应的泵浦激光器，逐渐增加最后放大器的泵浦能量，以达到总共575J，这是10PW峰值功率所需的能量。最后三个脉冲在最后两个高能Ti：Sa放大器中使用相同的泵浦条件发射，分别为169J和406J泵浦能量。每个脉冲的输出能量是使用诊断工作台上的校准能量计测量的。峰值中的能量（图5的左纵轴）表示主峰值中包含的能量。这相当于所测能量的88%，其中百分比如图4所示确定。峰值功率（图5的右纵轴）是通过将峰值中的能量除以脉冲宽度来计算的。考虑到在该脉冲序列中测量的压缩激光脉冲中的最大能量E=251.3J，主峰下88%的能量和脉冲宽度τ=21.7fs，使用公式Pp=0.88E/τ计算出10.2PW的Pp峰值功率。
图6.以超过10PW的峰值功率发射的最后几发激光的光束轮廓。标记了特定测量脉冲的时间。
图7.最后一级放大器输出端的每个脉冲的频谱。绿色是功率大于10PW的最后三个脉冲。粉红色是能量上升过程中的脉冲。
脉冲序列中的光束轮廓具有稳定的平顶分布形状。图6中记录的近场图像证明了这一点，该序列的最后三个脉冲，峰值功率大于10PW。使用诊断工作台上的相机和适当的光学元件在拍摄时记录下来这些光束的近场图像，以便对压缩器最后一个光栅的平面进行成像。我们使用近场光束轮廓来计算关键光学元件的峰值通量。计算出的45度入射反射镜的局部最大峰值通量为208mJ/cm2，平均通量为112mJ/cm2。对于以56度入射角放置的光栅，计算出局部最大峰值通量为165mJ/cm2（平均通量为88mJ/cm2），峰值强度远低于光栅的300mJ/cm2测量损伤阈值[12]。
该脉冲序列中的频谱稳定性如图7所示。这里给出的光谱是在最后一级放大器的输出端记录的每个脉冲所呈现的，显示出稳定的光谱分布，在激光系统能量上升期间，随着脉冲能量的增加，光谱幅度增加。绿色曲线显示了在10PW功率下的三个脉冲频谱。
在整个系统中传输高功率脉冲后，检查所有光学组件是否损坏，重点是压缩光栅和10PW传输光学器件。在任何光学元件上均未观察到视觉损伤。
3、结论
据我们所知，这是首次产生了峰值功率高于10PW的激光脉冲。从ELI-NP HPLS的输出端，使用LBTS真空传输到实验区域。当使用焦距为1500mm的抛物面镜（目前正在ELI-NP安装）紧密聚焦时，该峰值功率对应于1022-1023W/cm2[13]范围内的功率密度，对基础科学研究和应用具有全球影响，这些研究和应用也将在ELI-NP进行。基金项目
极端光基础设施- 核物理（ELI-NP）第二阶段是由罗马尼亚政府和欧盟通过欧洲区域发展基金和竞争力业务计划（1/07.07.2016，COP，ID 1334）共同资助的项目。我们还感谢罗马尼亚研究与创新部赞助的支持合同：PN 19 06 01 05。
致谢
作者感谢整个Thales、Alsyom/Seiv和ELI-NP团队和合作者的贡献。
参考文献：
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