频域光参量啁啾脉冲放大技术研究

Optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) is widely used for the generation of high power ultra-short pulses,which is important for researches on high field physics and high energy density physics. The ultra-broad gain band width is necessary for such amplification systems of pulses like those of tens of femto-second in width. For upscaling of pulse energy and amplified bandwidth and overcoming fundamental material limitations(crystal size and damage threshold), frequency domain optical parametric chirped pulse amplification is presented in this work. We plan to research the key problems and the contents are: (1)the influence of diffraction grating and collimation mirror in 4-f setup to the spreading spectral distribute in the Fourier plane(FP);(2)the influence of the seams between the crystals and the regulation precision of phase matching angle to spectrum function and pulse contrast;(3)the influence of the pump temporal intensity modulation and spatial quality to output amplfied pulse. Physical models is built and numerical simulation results is analyzed,and meanwhile small-aperture 808nm wavelength experiment is constructed to prove the technology of frequency domain optical parametric chirped pulse amplification. The work will provide a potential way for the design and engineering of ultra-short pulse.facilities,especially the final amplification stages in the 10PW class facilities.

为推进强场物理与高能密度物理诸多前沿问题的研究，啁啾脉冲光参量放大技术（OPCPA）已成为当前国内外用于高功率超短脉冲产生的重要途径。在能量放大的同时获得超宽带增益是实现超短脉冲有效放大的必要条件。为了在超短脉冲能量放大的同时兼顾大的增益带宽，规避晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的局限性，本课题主要研究频域光参量啁啾脉冲放大技术的关键问题，具体包括以下几个方面：（1）4f结构中光栅以及准直透镜参数对傅里叶变换面上频谱分布的影响；（2）频谱面上拼接晶体的缝隙和相位匹配角度调节精度对增益函数以及脉冲信噪比的影响；（3）输出信噪比以及光束质量对泵浦光的时域强度调制以及空间光束质量的要求。通过对以上建立相应的理论分析模型，利用小口径808nm波段的频域光参量啁啾脉冲放大技术进行实验验证，在单路10PW量级高功率超短脉冲激光系统，特别是其末级大口径主放大器设计实施中，本研究有望提供全新的技术方案。

光参量啁啾脉冲放大技术（OPCPA）作为高功率超短脉冲产生的重要途径，为强场物理与高能密度物理诸多前沿问题的研究提供必要的实验条件。为了在超短脉冲能量放大的同时兼顾大的增益带宽，规避晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的局限性，本课题已经完成频域光参量啁啾脉冲放大技术的关键问题研究和实验验证，具体包括以下几个方面：（1）4f结构中光栅以及准直透镜参数对傅里叶变换面上频谱分布的影响；（2）频谱面上拼接晶体的缝隙和相位匹配角度调节精度对增益函数以及脉冲信噪比的影响；（3）输出信噪比以及光束质量对泵浦光的波前畸变以及参量晶体表面粗糙度的要求。通过数值模拟分析确定光栅刻线密度、准直镜焦距、参量晶体切割角，拼接晶体数量，拼接晶体缝隙，泵浦光波前畸变，表面加工粗糙度等关键光学参数，并结合我们现有的皮秒激光系统完成了频域光参量放大实验，增益光谱范围750-830nm，增益带宽80nm，总增益大于30dB，理论与实验结果比较吻合，初步实现了近百nm的频域光参量放大的实验验证。有望应用在10PW甚至EW级高峰值功率OPCPA末级大口径主放大器中，从而突破增益窄化以及宽带增益材料生长尺寸受限等超短脉冲放大过程中不可避免的技术瓶颈，频域参量放大技术研究为高功率OPCPA激光系统提供了新的重要技术储备。