输出功率大于1太瓦,脉宽 小于1皮秒,可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超强超快激光的发展研究,是超强超快激光研究广泛深入开展的基础和推动力。
近十几年来,由于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, 简称CPA)技术的提出和应用,宽带激光晶体材料(如掺钛蓝宝石)的出现,以及克尔透镜锁模技术的发明,使超强超快激光技术得到迅猛发展。小型化飞秒太瓦(1012瓦)甚至更高数量级的超强超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。最近,更短脉冲和更高功率的激光输出,如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲,小型化飞秒100太瓦级超强超快激光系统,以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦(1015瓦)级激光输出已有报道,激光功率密度达到1019~1020瓦 /厘米2的超强超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。
传统的激光放大采用直接的行波放大,而对超短激光脉冲来说,随着能量的提高,其峰值功率将很快增加,并出现各种非线性效应及增益饱和效应,从而限制了能量的进一步放大。
CPA技术的原理是,在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级,形成所谓的啁啾脉冲。这样,在放大过程中,即使激光脉冲的能量增加很快,其峰值功率也可以维持在较低水平,从而避免出现非线性效应及增益饱和效应,保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后,借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度,即可使峰值功率大大提高。
为了突破CPA技术的一些局限性,目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法,如啁啾脉冲光学参量放大(OPCPA)原理,目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件,特别是获得大于(等于)1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放大各自的优点,是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。
OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段,但却蕴涵着强大的生命力。此外,超强超快激光光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制,周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效放大与性能优化,也是今后持续创新发展的主要方向。
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