近年来，以英国DiPOLE装置为代表的百焦耳级高重复频率纳秒激光系统的平均功率已超过1 kW并有潜力实现kW级的高能皮秒脉冲输出，但其系统复杂、规模巨大（约50 m2），因此作为一般实验设备，其普适性受到了限制。二十一世纪以来，国内外有多家科研单位瞄准桌面级高重复频率高能超快激光开展技术研究与验证，以满足超快时间尺度下高能量密度物理研究和二次辐射源等领域应用的需求。与Nd3+相比，Yb3+掺杂的增益介质具有饱和通量高、荧光寿命长和热效应低等优势，其独特的脉冲宽度和能量组合有利于发展紧凑型高能重复频率皮秒激光。
针对桌面级高重复频率高能亚皮秒激光系统的应用需求，中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所季来林副研究员团队基于课题组提出的空间位移-角度编码方式的新型放大构型，进一步探讨该构型用于高能啁啾脉冲放大的方案设计，并对该方案进行了初步理论模拟和关键技术研究。该方案借助单放大模组和变口径多程复用放大的方式来实现紧凑化设计，有望在较小体积内实现20 J/1 ps/10 Hz 的激光输出。
所提方案得益于室温条件下Yb激活离子的高储能特性，基于中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所的发明专利《一种基于空间复用结构的紧凑型激光放大系统及方法》，采用空间位移-角度编码的结构将多级放大段集成在一个增益模块之中，较为理想地降低了系统的体积，进而提高了激光器的功重比。桌面级高重复频率高能亚皮秒激光放大系统光学原理如图1所示。增益模块采用上下对称放置的两组激活反射镜放大装置，种子光与泵浦光异侧入射至增益介质，避免了湍流对于信号脉冲的影响，提高了增益介质的散热效率，较大程度上提升了放大系统的输出性能。为了降低激光器的空间体积和质量，在一级放大段（第一程至第四程放大）中将光束口径限制在一个较小的范围内。在二级放大段（第五程至第七程放大）中采用一维编码棱镜规划种子脉冲增益路径，使其沿晶体的某一方向依次排布。在三级放大段（第八程放大）中，让脉冲注入方向与前两级放大段脉冲注入方向垂直，对增益介质进行异向复用。基于多程放大的方式可有效提取增益介质储能，系统储能提取效率约为20%。
图1 桌面级高重复频率高能亚皮秒激光放大系统的光学原理框图
所提设计方案中选择的增益介质为Yb∶YGG。该增益介质不仅具有合适的饱和通量，还拥有较长的上能级寿命和较大的吸收截面，有利于充分储能，22 nm的发射线宽使得放大后输出皮秒甚至亚皮秒光脉冲成为可能。根据最优储能效率所要求的浓度厚度积，本方案选择厚度为6 mm、掺杂原子数分数为1.75%的Yb∶YGG作为激光放大系统的增益介质。
使用商业化的30 μJ/5 nm/2 ns的种子脉冲作为注入，计算结果如图2所示。激光系统输出未压缩的啁啾脉冲宽度为0.79 ns，脉冲带宽为1.86 nm。输出脉冲的傅里叶变换极限（FTL）脉冲宽度为0.84 ps。在空间复用放大过程中，输出能量和B积分随放大器程数的变化如图2（d）所示，B积分始终保持在安全范围内。在脉冲压缩器方面，使用刻线密度为1740 lp/mm的光栅对输出脉冲进行色散补偿。假设每块光栅的压缩效率是95%，整体压缩效率约为80%，压缩后的输出单脉冲能量约为20 J，对应输出激光的峰值功率大于20 TW。
图2 基于Yb∶YGG的宽带啁啾脉冲放大（CPA）系统的输入输出特性。（a）啁啾脉冲的时域波形；（b）频谱带宽（Δ）；（c）脉冲的FTL脉宽；（d）八程放大CPA系统输出能量和B积分随程数的变化
近年来，桌面级高能皮秒激光在原理、技术及应用等方面发展迅速且成果显著。今后本团队将继续在相关研究领域深耕，开展最先进的基础研究与技术探索工作，突破紧凑型高能高重复频率激光的关键技术，探寻一条适用于桌面级亚皮秒高重复频率高能激光的新路径，为开展二次辐射源等强场物理前沿领域的研究提供新机遇。
中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所第一研究室致力于面向国防的高功率激光科学技术研究，是国内最早开展ICF激光驱动器研究的单位之一，先后参与研制了神光I、神光II、神光II升级、皮秒高能拍瓦、万焦耳大单路等系列高功率激光装置，团队现有职工23人，其中具有高级职称的研究人员11人，具有博士学位的人员11人，3人享受国务院特殊津贴。
近十年来，团队在国际上率先开展低相干宽带技术研究，研制的千焦耳级低相干宽带二倍频激光平台——“昆吾”激光装置，成功将超辐射光源引入ICF研究体系，在低相干脉冲大带宽放大（约13 nm）、高效倍频和靶面焦斑特性控制等关键技术方面取得突破，目前该装置已投入运行并被多次应用于激光等离子体相互作用、材料物性研究等相关物理实验中。
当前以先进激光技术发展及军民融合需求为牵引，在高重复频率高能激光、红外激光、光纤激光等方面不断开拓创新，构建涵盖先进固体激光、光纤激光、光机电热一体化、光电检测等多个研究门类的激光技术综合创新研究体系。
科学编辑 | 刘金升
编辑 | 贾文斌
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