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使用PETAL装置进行PW-850J压缩光路验证
信息来源:信息管理中心 发布时间:2017年12月28日 【 】 【打印】 【关闭

  阿基坦拍瓦激光装置(PETAL)作为兆焦耳激光装置(LMJ)的附加拍瓦光路,由法国CEA设计建造。最初由于终端光学件的损伤阈值,PETAL的能量限制在1kJ以下。本文中我们将描述PW PETAL光路的试运行。我们将详细介绍具备大范围光谱前端的放大器部分的首次kJ发次,合成孔径压缩段的准直,以及在压缩段进行850工作点下1.15PW的初始验证。与光学件损伤相关的问题也会一并提出。 

  Treacy发明的衍射光栅压缩光学脉冲技术,以及于1985年面世的啁啾脉冲放大技术(CPA),为超高强度大型激光装置用于研究光-物质相互作用铺平了道路。自九十年代末以来,世界范围内有数台超高强度系统以旧系统升级或新装置的形式建造并进行试运行来达到拍瓦输出。由法国CEA设计建造的阿基坦拍瓦激光装置(PETAL),用来传输1053ns波长下皮秒-千焦耳量级的激光脉冲。PETAL可在超高强度科学,极端等离子体物理,天体物理学,辐射照相学等领域进行实验,并可将其自身数拍瓦千焦耳级光束与兆焦耳激光器(LMJ)的纳秒级数钱焦耳光束组合进行快点火。PETAL光束自此成为诸如OMEGA-EPLFEXNIF-ARC这样千焦-皮秒量级,拍瓦到数拍瓦装置的一员。这篇文献介绍PETAL的激光器调试及其目前的主要性能。20155月在压缩段进行的首次1.15PW激光发射。这一1.15PW的发次也使PETAL成为世界在役的最强大的单路激光之一。文中详细介绍短脉冲状态工作时真空光学件(光栅,反射镜)上观测到的损伤,以及用于改良这一损伤障碍。在激光器运行之初,由于终端光学件的损伤阈值,PETAL的输出能量限制在1千焦。 

  前端性能 

  PETAL的前段基于两个光学参量放大(OPA)平台,其由工作波长为526nm,输出脉宽4.5ns,输出能量1.2J,带时空整形的定制激光器泵浦。种子脉冲由输出波长1053nm,输出脉宽100fs的振动器提供,随后由一个单光栅展宽和一套Offner系统进行展宽。为了获得放大器部分种子源要求的0.5625ns/nm的展宽比,16nm FWHM光谱带宽的脉冲被展宽到9ns。如此则泵浦脉冲明显短于种子脉冲。实际上,由于OPA增益很大,且放大器部分有光谱压缩,这一不符可被忽略。 

  

1 前端原理图 

  放大器部分性能 

  PETAL放大器部分的设计指标是在1.053μm的工作波长下输出6.4kJ的能量。其放大器部分与LMJ放大器部分具有相同的结构,然而LMJ4×2光束放大部分的机械结构需进行修改以针对单光束(37.1×35.6cm2)应用。该结构由带有角度复用和一个换向器的四程放大系统组成。其使用排列成两组的16片放大器片。前端脉冲注入传输空间滤波器,经过两个由腔空间滤波器隔开的放大器组,从M1可变形镜处反射,并再次经过这16个放大器片。光束在Mdt1反射镜处反射,进入换向器,从M2处反射回到M1,并在L4后离开放大器部分。L4是最后一块传输空间滤波器的透镜。 

  压缩段性能 

  PETAL的压缩段构型基于相干叠加取代光栅逐步调相。初始光束被分隔成子口径光束,子口径光束被单独压缩并以标准精度(测微范围)进行同步。最后,这些子口径光束使用一块对每路子光束三段相干位移的拼接镜进行相干组合。为了限制真空压缩段的体积,压缩过程在两个平台上进行。第一步,空气中的压缩器在一段非折叠双程压缩光路内将脉宽从几纳秒压缩到几百皮秒。相关的长脉冲使83cm整体光栅能以减少光栅入射角的方式得到运用。第二步,真空中的压缩器最终将脉冲宽度压缩到500fs。第二个压缩平台设计成较小的压缩系数,来限制单程结构中的横向色差。将这一压缩器视作四个独立的单元,每个对应一个子口径。每个单独的压缩器可能有不同的特性,比如线密度或入射角。最后,一块位于两个压缩平台之间的拼接镜对终端压缩器内光栅分离导致的空间相位突变进行补偿。第一级压缩器的线密度为1680g/mm,入射角56°,光栅间距2.62m。第二级压缩器的线密度为1780g/mm,入射角为77.2°,光栅间距为2m。第一级压缩器的传输率为81%,第二级的传输率为91% 

  

2 放大器部分示意图 

  

3 放大器部分输出能量与注入能量和单频脉冲激活的片数量的关系。图中点表示实验结果,叉表示Miro模拟结果,线是Miro模拟的最佳拟合结果。 

  

4 压缩段和诊断平台(TDC)的实施图。MT5MT5bis画在了靶发次配置中。 

  结论 

  PETAL光路在压缩段结束时已经试运行了超过两年。在该试运行过程中,放大器部分证明其能达到最大输出5kJ,最大光谱带宽3nm,与500fs运行指标相匹配。空间光整形由相位板控制,来产生压缩段需要的四个子口径。这一光束整形过程不受高能量放大过程产生的ASE的影响。于20155月制定了在PETAL上进行PW实验的计划。在PETAL压缩器输出端获得了脉宽为700fs,能量850J,功率达到1.15PW的发次输出。研究人员将关注点放在压缩段的光束采集和诊断期间,来限制非线性效应与时空效应。全尺寸光学件(特别是传输镜),通过目测监控与采样损伤检测表明第一块传输镜的阈值限制在1.7J/cm2。损伤阈值为3.7J/cm2的新镀膜设计已用于传输段,使未来可向靶室传输1kJ的能量。此外,优化空间光截面的工作正在进行中,以获得更均匀的光束。 

摘译自: 1.15 PW-850 J compressed beam demonstration using the PETAL facility Blanchot, N; Behar, G; Chapuis, JC; et al. OPTICS EXPRESS 25(15):16957-16970, 2017 


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