数十焦耳量级、宽带非共线光参量啁啾脉冲放大研究

Petawatt and Exawatt femtosecond ultra-intens and ultra-fast lasers are widely applicated in the areas such as laser-based particle acceleration, medical and astronomy et al. Therefore, these lasers have been becoming the scientifical research point and attarcteted many attentions from physical scientists. The technology of optical parametric amplification (OPCPA) is one of the main method to develop these lasers by achieving high energy and broadband amplification. For lasers with peak power of tens of petawatt, OPCPA technology has special advantage becaue there is no parametric lasing effect which has to be impressed. In this project, based on nolinear crystal of LBO and YCOB, we will research high energy and broadband noncollnear OPCPA centered at 800nm.Our research will focused on main properties of gain, spectrum, dispersion conversion efficiency and beam profile et al, which affect the properties of amplified pulse of OPCPA and suppressed pulse duration. In the experimental research, the chirped signal pulse will be from Ti:sapphire CPA front-end centered at 800nm. After the amplification of non-collinear OPCPA, the energy will achieve near 30J - 50J. By controlling the pulse spectrum and dispersion, the compressed pulse duration will be about 30fs. Additionally, we will compare the application of LBO and YCOB in high energy OPCPA amplifier,and give a design of OPCPA amplifier with output energy of multi-hundreds jourl based on our experimental research results. This work could lay the grundwork for the following research to develop the ultra-intens laser with multi-hundreds or evern exawatt peak power.

拍瓦乃至艾瓦级飞秒（fs）超强超快激光在高能粒子加速、医疗、天文等多个领域具有不可替代的重要科学意义和应用价值，成为本领域研究热点，引起高度关注。光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术是目前实现高能量、宽带放大，获得具有上述性能激光输出的主要途径之一,特别是对十拍瓦以上的激光系统而言，OPCPA由于没有寄生振荡效应具有独特的优势。本项目提出在800nm波段，基于LBO和YCOB晶体，开展527nm泵浦的宽带、非共线OPCPA放大研究，重点研究放大过程中增益特性、光谱特性、色散特性、转换效率和时空光束质量等影响高能量OPCPA放大和脉冲压缩的主要性能，以基于钛宝石晶体CPA放大链为前端，在800nm中心波段实现30-50J宽带放大输出，压缩脉宽达到30fs左右，比较两种晶体在上述放大过程的优缺点，使研究结果可外推到数百焦耳量级的OPCPA设计，为后续开展数十拍瓦乃至艾瓦级超强激光研究奠定基础。

超强超短激光是目前人类已知的最亮光源，为光和物质相互作用研究提供了极端的物理实验平台，主要应用于x射线的产生、r射线的产生、相对论自聚焦、高能电子和质子加速、中子和正电子的产生等等研究，是目前国际研究的前沿领域，在揭示微观规律以及未来能源、国防等方面都具有潜在的意义。作为发展超强超短激光的主要技术途径之一，光参量啁啾脉冲放大技术（OPCPA）以其高增益、宽带放大、无热效应、无寄生振荡等优点，在发展超高功率、极短脉宽超强超短激光中具有独特的优势。. 本课题围绕该领域的关键技术难题和预期目标，开展了基于中大口径非线性光学晶体（LBO、YCOB）在527nm泵浦下、中心波段为800nm条件下的宽带、高能量、高效率OPCPA研究，针对放大过程中输出光束的输出能量、转换效率、光谱特性、光束空间分布以及光斑波前等关键性能，对影响上述性能的主要参数（包括泵浦强度、注入强度、晶体厚度）和相关效应（包括增益饱和、光谱畸变、参量逆过程、走离效应、非共线角精度等）进行理论模拟分析和实验验证，通过解决相关技术难题并优化和控制上述参数，基于100mm*100mm口径的LBO晶体，采用非共线OPCPA结构，以自行研制的钕玻璃激光倍频输出（527nm）为泵浦源，实现了45.3J的放大输出，转换效率26.3%，压缩脉冲宽度32.0fs，峰值功率1.02 PW （PW，拍瓦，10的15次方瓦），达到当时同类装置的最高输出能力，首次实现PW量级的OPCPA放大输出，圆满完成了课题的预期指标，主要结果发表在Optica Letters, vol.40, 3412(2017)，其他相关研究结果发表在Optics Letters, Optics Express，Optics Communication等重要学术期刊。为后续开展基于OPCPA技术的百拍瓦级超强超短激光装置奠定了坚实的理论和技术基础。