宽带泵浦光参量啁啾脉冲放大技术研究

Optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) is widely used home and broad 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. A novel optical parametric amplifier for the chirped signal pulses with broadband pump pulse is presented in this work. In theory, the numerical model is utilized to optimize the OPA system and analyze the output characters, and in experiments the OPA system pumped by broadband pulses can be realized with output milli-joules signal pulses. The crucial technologies include: (1) the generation of the broadband pump pulse by frequency conversion system, (2) the optical parametric amplifier pumped by broadband pump pulses, (3) the realization of dispersion control in wide region with grisms based on gratings of various line densities. 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。在所有短脉冲放大技术中，获得超宽带增益是实现超短脉冲有效放大的必要条件。本课题针对超宽带OPCPA系统实现高增益带宽问题，创新性提出采用宽带泵浦光脉冲实现啁啾信号光脉冲放大的技术方案。在理论上，通过建立相应数值计算模型，实现OPA系统优化并分析输出脉冲特性；在实验上，初步建立毫焦耳输出的验证平台，其关键技术途径包括：（1）利用倍频技术产生宽带泵浦光脉冲；（2）宽带泵浦啁啾脉冲参量放大；（3）色散控制单元，采用基于双密度光栅的棱栅结构实现宽带泵浦光啁啾率的灵活调整以及输出信号光高阶色散大范围控制。在单路10PW量级高功率超短脉冲激光系统，特别是其末级主放大器设计实施中，本研究有望提供全新的技术方案。

针对本项目申请书要求，主要完成研究内容包括四个方面：其一，建立了完备的窄带与宽带泵浦光参量放大相位匹配数值分析模型，能够分析所有非线性晶体内可能存在的所有匹配方式的所有匹配参数；其二，建立窄带与宽带泵浦OPA全系统数值模型，完成皮秒与飞秒域建立一维时域耦合波方程数值模型，以及亚纳秒域与纳秒域准四维时空域耦合波方程数值建模，模型用于分析光束质量、转换效率、稳定性等关键系统参数，并能够对参量放大系统工程实施过程中遇到的问题进行分析、对系统输出能力进行预测；其三，在双密度棱栅结构的色散控制单元方面，完成了平面棱栅、立体棱栅以及多密度棱栅的理论实验验证，可作为小压缩器用于超短脉冲激光系统高阶色散补偿；其四，完成了宽带倍频实验，在404nm中心波段附近实现光谱超过30nm的倍频脉冲输出，但因为处于兼并态，404nm波段宽带泵浦放大808nm宽带信号光结果并不理想，如果能够获得532nm波段线性啁啾的宽带泵浦光，匹配带宽与转换将有极大的提升。.在该项目支持下完成的数值分析模型，用于本实验室建立SGII-5PW激光系统总体路线与工程排布优化，起到指导作用：在808nm波段、910nm波段与1053nm波段，对所有常用非线性晶体DKDP、KDP、BBO、ADP、LN、LiIO3、LBO、YCOB、BIBO、KTP等所有可能的6中匹配方式进行计算，给出了完整分析，选定了808nm波段基于BBO、LBO与DKDP晶体作为增益介质的全OPCPA方案；利用耦合波方程模型，对各级放大器进行理论模拟，模拟结果与当前工程实验结果有很高的符合度，当前已经实现30J/27fs的1PW量级超短脉冲输出，并能够提供物理实验。.在本项目支持下完成的宽带倍频实验，实现了404nm波段30nm以上的宽带倍频。该光谱宽度的啁啾脉冲理论上可以被压缩到10fs以内，且经过倍频过程，信噪比将会大幅度提高，该技术可望为高信噪比的超短超强紫外光源产生提供选择，可以丰富国内外在建的大型超短激光装置多样化功能。