基于LBO的OPCPA--通往千萬瓦級激光器之路

用于光參量放大（OPA）的 LBO晶體具有高閾值損傷，結(jié)合啁啾脈沖放大（CPA）-（OPCPA）是實現(xiàn)極高激光峰值功率（兆瓦、千萬瓦）的有力工具。如何實現(xiàn)？為什么 LBO 是最適合這一任務(wù)的晶體？

強激光束

自從 60 年前發(fā)明激光以來，研究人員一直在努力創(chuàng)造更強的脈沖。從高精度去除材料到外科手術(shù)中的超快脈沖，再到軍事領(lǐng)域的火箭瞄準，強光脈沖在工業(yè)領(lǐng)域有很多意義，但它也能揭示宇宙的一些基本問題。激光物理學(xué)的圣杯是能夠打破時空真空的強激光束。迄今為止，我們距離實現(xiàn)真空衰減仍有幾個數(shù)量級的差距。 然而，到了 20 世紀 80 年代中期，科學(xué)家們面臨著能量密度約為 1 太瓦的重大挑戰(zhàn)。對于短脈沖來說，要想在不破壞放大材料的情況下提高光強度，實際上已不再可能。

通過啁啾脈沖放大（CPA）克服飽和以提高脈沖能量

克服這種能量密度限制的一種方法是隨著峰值功率的增加而相應(yīng)增大激光放大器的孔徑，但所需的孔徑過大是不切實際的，激光系統(tǒng)的效率也會很低，因為它們無法在接近飽和通量時工作，而且還會出現(xiàn)橫向寄生激光等問題。1985 年 12 月，物理學(xué)家唐娜-斯特里克蘭德（Donna Strickland）和她的導(dǎo)師熱拉爾-穆魯（Gérard Mourou）從有關(guān)雷達的科普文章中得到啟發(fā)，終于找到了解決這一難題的簡單而優(yōu)雅的突破口。他們的發(fā)明簡單明了--采用一個短激光脈沖，將其在時間上拉伸、放大并再次擠壓在一起。當脈沖在時間上被拉伸時，其峰值功率會大大降低，因此可以在不損壞放大器的情況下對其進行大幅放大。然后，脈沖在時間上被壓縮，這意味著在極小的空間范圍內(nèi)，更多的光被擠壓在一起--脈沖的強度隨之急劇增加。

斯特里克蘭德和穆魯花了數(shù)年時間才成功地將一切結(jié)合起來，但他們克服了技術(shù)上的困難。1985 年，斯特里克蘭德和穆魯首次證明，他們的優(yōu)雅構(gòu)想在實踐中也是可行的。他們發(fā)明的啁啾脈沖放大器（CPA）將強激光器的能量閾值提高到了 1PW的能量密度。

將 LBO 光參量放大器與 CPA (OPCPA)相結(jié)合

后來，通過將 CPA 與光參量放大器（OPA）相結(jié)合，即 OPCPA，功率進一步提升了一個數(shù)量級。 分級 OPCPA 系統(tǒng)之所以能夠提供數(shù)兆瓦的功率，是因為采用了額外的非線性晶體。 最受歡迎的非線性晶體是 LiB3O5(LBO)，它可以產(chǎn)生高效率、寬帶的二次和三次諧波，并支持高效率的 OPCPA。最近，它在更大尺寸生長方面的發(fā)展使高能量放大成為可能。這些因素表明，通過將 CPA 和 LBO 放大器結(jié)合起來，可以產(chǎn)生高峰值功率激光系統(tǒng)。這種近乎瞬時的非線性過程將泵浦脈沖的部分能量轉(zhuǎn)移到種子脈沖上，從而產(chǎn)生三個輸出：一個更強的種子脈沖或信號脈沖；一個減弱的泵浦脈沖；以及一個在泵浦和種子脈沖之間的差頻上被削弱的惰性脈沖。一個具有 CPA 前端和 OPCPA 末級放大器的混合系統(tǒng)是制造緊湊型 10 PW 激光器的潛在設(shè)計。得益于 LBO 晶體，OPCPA 已從最初的小規(guī)模演示迅速發(fā)展到研究設(shè)施和大學(xué)中的數(shù)兆瓦和千萬瓦級系統(tǒng)，以及眾多低功率科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用。

用于 OPCPA 的解決方案

考慮到行業(yè)需求，我們設(shè)計出性能最佳的OPCPA晶體，提供大孔徑LBO。晶體的卓越表面質(zhì)量和光學(xué)均勻性有助于實現(xiàn)最低的體吸收率，這對于高功率激光器的非線性轉(zhuǎn)換具有顯著優(yōu)勢。此外，我們提供的LBO晶體無與倫比的表面吸收率確保了最高的激光損傷閾值，使其成為高功率激光應(yīng)用的理想選擇。