（光学专业论文）超快强激光系统若干关键技术研究.pdf

摘饕 捅要 啁啾脉冲放大( c p a ) 技术提出以来，超快强激光技术至今已有了很人发展。 c p a 技术已经成为产生t w 甚至更高峰值功率超短激光脉冲的一项蕈要手段。 具有较宽带宽的增益介质钛宝石晶体可以用于产：生飞秒脉冲，同样也r 泛使用诮： 产生高峰值功率超短脉冲的放大系统中。具有高峰值功率的超短脉冲可以应用j 一 诸多领域，如超快x 射线产生、高次谐波的产生等。 本论文的主要目的是研究超快强激光系统的若干关键技术。我们自行研制了 一套5 t w l 4 0 f s 级台式钛宝石激光系统，通过对系统的性能优化实现激光系统的 安全稳定运行，并希望利用研制的超快强激光系统开展一些强场激光物理方i l i j f f , j 实验研究。本论文的研究工作主要包括以下几个方面： 首先，研制了套5 t w 4 0 f s 级台式钛。蕞石激光系统。我们设计了高效运行 的超短脉冲强激光系统，在前端t s a 一2 5 输出3 5 m j 8 0 0 n m 啁啾脉冲的纂础上， 建立了全部以钛宝石作为增益介质、能量分蹦为0 6 j 和1 6 j 的5 3 2 n m l o i z n d ：y a g 激光抽运的二级c p a 系统。通过对系统进行优化实验，前级的能量抽 取效率达到3 4 ，主放大级的抽取效率也可达到3 2 。两级放人厉输山脉冲能 量5 0 0 m j ，压缩后脉冲宽度4 1 f s ，压缩过程中能量转化效率6 3 ，峰值功率可达 7 6 t w 。整个激光系统实现了台式化，两级c p a 放大器结构紧凑井日具有灵活 安全等优点。 其次，我们总结了5 1 、w 4 0 f s 级台式钛宅石激光放大系统研制过程z 1 ，遇到的 几个关键问题。针对放大系统性能优化进行了一系列实验研究，包括钛蠢彳彳品 木 的选择、放大结构通道数的选择、抽运能量的分配以及在适当拙运密度条什下如 何获得较高能量抽取效率等。通过对实验结果的分析积累了设计c p a 放火系统 的经验，并且设计研制了符合超快强激光系统实验要求的各类光学膜片和机械器 件等。 再次，在实验过程中还解决了整个5 t w 4 0 f s 级台式钛宝石激光系统1 0 h z 同步信号控制的问题：掌握飞秒脉冲宽度测量以及光斑质量评价的原理，使用自 相关仪s s a 精确测量了飞秒脉冲的宽度以及利用光斑质量测量仪器m 2 2 0 0 测量 了激光脉冲的光斑质量；对于我们在进行能量放大实验过程中遇到的若二r 物理问 题进行了分析，并且提出了相应的解决措施。 关键词： 超快强激光；啁啾脉冲放大；钛宝石晶体；抽取效率：高峰值功率 摘霹 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h e c h i r p e d p u l s ea n a p l if l c a t i o n ( c p a ) t e c h n i q u e ，r a p i d p r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a h i g ha n du l t r a f a s tl a s e rs y s t e m s c p ah a sm a d eap r o m i s i n gw a yf o rd a m a g e f r e ea m p l i f i c a t i o no fs h o r t p u l s e st o t e r a w a t tl e v e l sa n db e y o n d ，u s i n gl a r g eg a i nb a n d w i d t hm a t e r i a l ss u c ha st i ：s a p p b i r e p e r m i t s t h e a m p l i f i c a t i o n o ff e m t o s e c o n d p u l s e s ，a n dt i ：s a p p h i r ea m p l i f i e r s c a l l p r o d u c eu l t r a h i g hp e a k p o w e r ，u l t r a s h o r tp u l s e s ，w h i c ha r e u s e f l l lf o rav a r i e t yo f h i g h - f i e l da p p l i c a t i o n ss u c ha st h eg e n e r a t i o no f u l t r a f a s tx r a yr a d i a t i o n 、h i g h - o r d m h a r m o n i cg e n e r a t i o na n ds oo d i nt h i sp a p e f t h et e c h n o l o g i e si nh i g h i n t e n s i t yu r r a f a s tp u l s el a s e rs y s t e ma r e s t u d i e d ，a5 - t w 4 0 一f st a b l e t o pt i ：s a p p h i r el a s e rs y s t e mw a sb u i l ta n dc a l lw o r kw i f l l s t a b i l i t y w ee x p e c tt h el a s e rs y s t e mi sb e c o m i n gp r i m a r ys o u r c ef o rt h er e s e a r c ho n p h e n o m e n a i ns t r o n g f i e l dp h y s i c sr e g i m e t h em a i nr e s e a r c hh a sb e e ns u m m a r i z e d a sf o l l o w s f i r s t ，a5 - t w 4 0 一f st a b l e t o p i i ：s a p p h i r el a s e rs y s t e mw a sb u i l t w ep r e s e n tt h e d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo f a ne f f i c i e n t ，f e m t o s e c o n d ，h i g h i n t e n s i t yt i ：s a p p h i r el a s e r s y s t e m ，b a s e do nt s a - 2 5r e g e n e r a t i o na m p l i f i e r , w i t ht w o - s t a g ea m p l i f i e ri n c l u d i n g l o l o x l 5 m ma n d 圣1 5 1 5 m mt i ：s a p p h i r e c r y s t a l s ，p u m p e db y o 6 ja n d1 6 1 5 3 2 n r n 1 0 h zo fn d ：y a gl a s e r s c o m p a r e dw i t ht h ed i f f e r e n ta b s o r p t i o no fc r y s t a l s f o r5 3 2 n m ，p u m p t o i re f f i c i e n c yw i t hp u m pf l u e n c ea n dp a s s e so fa m p l i f i c a t i o n ，t h e s y s t e mo u t p u te n e r g ya c h i e v e d5 0 0 m j u s i n gas i n g l eg r a t i n gc o m p r e s s o gap u l s e w i t hd u r a t i o no fl e s st h a n4 1 f sc a nb eg e n e r a t e d ，t i l et r a n s m i s s i o no f e n e r g yw a s6 3 a n dt h eh i g h e s tp e a kp o w e rc a r lr e a c h7 6 t w t h ep o w e ra m p l i f i e ro f o u r t i ：s a p p h i r e l a s e rs y s t e mw h i c hi sp u m p e db yn d ：y a gl a s e rc a l la c h i e v ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yt h a t a p p r o a c h 3 4 i no u ro p i n i o n ，t h i sl a s e rs y s t e mi s c h a r a c t e r i s t i co f h i g hf l e x i b i l i t y ， s a f e t y , w o r k i n gs t a b i l i t y , e c o n o m y , a n d s oo n s e c o n d ，s o m ek e yt e c h n i q u e s r e l a t e dt o5 - t w 4 0 一f sl a s e r s y s t e m w e r e d e v e l o p e d ，f o re x a m p l e ，t h ec h o i c eo f d i f f e r e n tg a i nm e d i u m s ，t h em u l t i p l ec h o i c e so f t h ea m p l i f i e dp a s s e s t h ed i s t r i b u t i o no f e x t r a c t i o ne n e r g yw i t l lh i g he n e r g ye x t r a c t i n g 2 摘要 e f f i c i e n c y , e r e t h eg e n e r a t i o n o ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ew a ss t n d i e d ；t h e m o d u l a t i o no ft h i ss y s t e mw a sl e a r n e d w es u c c e e di nt h ed e s i g no fv a r i e dk i n d s 【 i 、 o p t i cc o m p o n e n t s i nh i g h i n t e n s i t ya n df e m t o s e c o n dl a s e rs y s t e m t h i r d ，d e v e l o p e do f at e c h n i q u ef o rt h ep r e c i s e l yt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o no ft h e p u m p a n d s i g n a lp u l s e ；m a s t e r y o fn e wt e c h n o l o g y , s u c ha st h e t y p e s o ft h e m e a s u r e m e n tf o rf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e ，t h ei n t e r f e r o m e t r i ca u t o c o r r e l a t i o na n dt h e b e a mp r o p a g a t i o na n a l y z e rm 2 2 0 0w e r el e a r n e d i na d d i t i o n ，t h ek e yp r o b l e m s ，f o r e x a m p l e ，t h e r m a l l e n s i n g e f f e c ta n da m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) a r e s y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e d ， k e y w o r d s ： h i g h - i n t e n s i t yu l t r a f a s tl a s e r ；c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ( c p a ) ；t i ：s a p p h i l e ； e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ；h i g h p e a kp o w e r 学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称_ y - 作单位备注 王祖赓教授华东师范大学i 蔼 孙真荣教授华东师范大学 丁晶新高工华东师范大学 学位论文独仓i j 性声明 本人所呈交翡学位论文是我在导| | i | i 酌指导下避行的研究工作及 取褥蟪研究成果。据我所知，除文中已经注明弓i 焦的凑容外，本论文 不包合其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出照 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：罐拯 日期：逸匹：、蔓，彭 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇鳊出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：梁，敬 日期：塑堕15 ：彩 导师张- w 墓旦 日期：塑! 幺终 第鬻超快强激光技术的发展驶现状 第一章超快强激光技术的发展及现状 超快强激光技术研究的对象是超短超强激光的创新发展、超短超强激光与物 质的相互作用以及在交叉学科与相关技术领域中的前沿基础，是当今国际卜现代 物理学甚至是现代科学中一个非常重要的科学前沿领域。目前，存较传统装置更 d n 4 型化的台式激光系统上已经能够实现峰值功率达t w ( 1 0 ”w ) 量级的超短激 光脉冲输出。激光经聚焦后的光强提高了5 6 个数量级，可以达到1 0 2 。w c m 2 乃至1 0 2 w c m 2 量级。利用超快强激光技术其脉冲宽度很短的特性，可以探测生 物学或化学反应的快速过程。同时超快强激光技术更可以在聚焦情况下产生高 温、高压、高场强、高密度等极端物理条什，这使得它在诸多方面有着非常广泛 的应用。 1 1 超快强激光技术发展过程 1 9 6 0 年hm a i n m a n 和t h o d o r e 发明了世界上第一台激光器，标志着激光的 诞生。此后激光的脉冲宽度和峰值功率通过一系列的创新技术得到了不断提高。 超快强激光技术也先后经历了三次缩短脉冲宽度的革新，即调q 激光器阶段、 锁模激光技术阶段和啁啾脉冲放大阶段。 调o 技术将脉宽压窄至纳秒级，对应的激光脉冲峰值功率达到m w ( 1 0 6 w ) 量级。而超短脉冲的迅速发展则与锁模技术的提出和发展是分不开的。1 9 6 5 年 人们发现了锁模技术能够进一步降低输出脉冲宽度以及提商激光脉冲峰值功率， 得到g w ( 1 0 9 w ) 量级的皮秒激光脉冲。但在此后的二十年时间里，激光技术一直 没有重大进展。直到1 9 8 5 年啁啾脉冲放大技术( c p a ) 的提出及其在激光技术中的 应用 1 ，成功的实现了t w 量级的激光脉冲输出。图1 ，l 表示了超快强激光技术 在最近几十年时间内的发展趋势。 飞秒脉冲的单脉冲能量大都在n j 量级，这对于应用在超快强激光物理和化 学等领域都是远远不够的，想要提高单脉冲的峰值功率，在降低脉冲宽度的同时 更应该提高单脉冲的能量。但是脉冲强度很高时增益介质会产生明显的增益饱和 现象，此时种子脉冲不能有效的通过增益介质抽取能量，而且高峰值功率的激光 脉冲在放大过程中会存在很强的非线性效应并且容易损坏各部分元件这些都制 约了超快强激光技术的发展。直到1 9 8 5 年c p a 技术的提出解决了这一系列问题， 为超快强激光技术的发展铺平了道路。 第一章超快强激光技术的发展及现状 y e a r 图1 - 1超陕强激光技术激光强度发展趋势 c p a 技术刚提出时还没有发现自锁模现象，当时激光振荡器输出的激光脉宽 较宽。1 9 8 1 年，一种新的锁模技术一碰撞锁模技术f c o l l i d i n gp u l s e m o d e l o c k i n g ，简称c p m ) 2 的诞生使得b 秒量级的激光脉冲的获得成为可能。 f o r k 等人利用碰撞锁模技术由染料激光器获得了飞秒量级的激光脉冲输出，标 志着飞秒激光时代的到来。但是激光振荡器输出更短飞秒脉冲的要求需要一种新 技术的出现，而且当时振荡器输出的较宽脉宽的脉冲也阻碍了c p a 技术在超快 强激光领域中的应用和迅速发展。一直到1 9 9 0 年，d e s p e n c e 等人第一次发现 在使用钛宝石晶体( t i ：s a p p h i r e ) 作为增益介质的激光器中存在自锁模现象【3 l 。 1 9 9 1 年他们利用氩离子激光做抽运源，研制成功了世界上第一台钛宝石自锁模 飞秒激光器，这也标志着固体激光器的发展进入了一个新的阶段。后来人们又发 现了新的锁模技术克尔透镜自锁模，利用棱镜对和啁啾镜技术进一步降低飞 秒脉冲的脉宽。1 9 9 8 年，利用钛宝石飞秒激光系统已经能够产生4 6 f s 脉宽的激 光脉冲【4 】，接近理论极限值3 f s 。 随着飞秒脉宽的进一步缩小以及c p a 技术的不断成熟和广泛应用，脉冲的 峰值功率也在逐渐提高。现在人们利用钛宝石获褥的脉冲峰值功率可达百t w 以 第一章超快强激光技术的发展及现状 上，最高达到了8 5 0 t w 5 。特别是运用钛宝石与高储能介质( 比如n d ：g f a s s 等1 结合，利用c p a 技术可以产生高达p w ( 1 0 ”w ) 量级峰值功率的脉冲输出，其划 应的聚焦光强达到1 0 2 1 w e r a 2 6 】。这些都为现代物理的研究提供了广阔的发展空 间。 下面，我们将简单介绍超快强激光技术迅速发展的关键技术c p a 技术， 讨论c p a 技术实现脉冲能量放大的基本原理。 1 2 c p a 技术放大原理 c p a 是啁啾脉冲放大技术( c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 的简称，最早是由d s t r i k l m a d 和g m o u r o u 于1 9 8 5 年提出【1 。他们首次将e b r o k n e r 进行雷达信号放人 的理论应用到了光学领域。c p a 技术原来是微波雷达技术中为了实现微弱信号探 测而发展起来的一种放大技术。在c p a 技术出现以前，无论是采用激光脉冲行波 放大技术还是再生放大技术，都无法获得峰值功率达t w 量级的激光脉冲。这是 因为如果超短脉冲的峰值功率提高到一定程度，就会出现一系列问题：一是增益 饱和使激光脉冲从放大介质中抽取能量的效率降低；二是放大过程中脉冲峰值功 率过高会产生各种非线性效应，使得激光脉冲光束质量下降：三是过高的峰值功 率会对增益介质、光学元件及膜片造成损坏。 超快激光c p a 放大的基本原理是：从振荡器中输出的飞秒种子脉冲，在其进 行能量放大前先通过展宽器，将脉冲在时域上展宽至皮秒甚至纳秒量级，同时又 保持脉冲光谱宽度不变；再经过再生放大或多通能量放大后获得足够的能量增 益，最后通过压缩器将能量放大后的脉冲在时域上压缩，获得与展宽前脉宽相近 的飞秒脉冲。c p a 基本原理可由图1 2 表示。 图i - 2c p a 放大基本原理图 第章超快强激光技术舱发展及现状 c p a 技术的关键是要保证引入和附加的正色散同补偿的负色散保持甲衡。 将脉冲在时域上展宽，这样一方面可以降低放大过程中激光脉冲的强度，使脉冲 ( 内峰值功率降低到系统各元件的损伤阈值以下，避免超短脉冲能量放人后出于峰 值功率过高而对系统元件造成损害，同时又能在一定程度上避免由于高强度激光 在放大过程中可能引起的各种非线性效应；另一方面，可以更有效的从增益介质 中提取能量，进而经过压缩器压缩后获得高峰值功率的超短激光脉冲。这样就很 好的解决了前面提到的获得t w 以上量级峰值功率脉冲时遇到的困难。 从c p a 放大过程也可以看出c p a 系统设包括四部分：飞秒振荡器、展宽 器、放大器以及压缩器。飞秒振荡器多是采用钛宝石锁模振荡器：展宽器大多使 用光栅展宽；放大系统可以包括一个或多个放大过程，从放大类型上大致可分为 再生放大和多通放大两种；压缩器则是采用与展宽器相对应的光栅对压缩结构。 l - 3 国内外超快强激光技术研究现状 现在国内外研究比较成熟的超快强激光系统，一种是全部使用钛宝石品体作 为增益介质进行放大的激光系统，还有一种是使用钛宝石和高效储能大孔径介质 相结合的混合系统。下面我们分别对这些系统进行介绍【7 。 1 3 1 钛宝石强激光系统 自1 9 8 2 年钛宝石晶体问世【8 】以来，使用其作为增益介质的激光系统不断发 展，这与它本身具有极宽的增益带宽等诸多良好的物理和光学特性有关，钛宝石 晶体的具体特性我们会在第三章中详细介绍。现在我们先介绍一下高功率钛宝石 激光放大系统的研究现状。 目前世界上研制比较成熟的高功率钛宝石激光放大系统主要有两类：一类是 重复频率较低，一般低于5 0 h z ，这种放大器重复频率多为l o h z ，其脉冲宽度较 小单脉冲能量较高，具有较高的峰值功率。这类激光脉冲可以用于强场物理的 研究。另一类则是重复频率较高，一般在1 k h z 以上，单脉冲能量在m j 量级， 主要应用在探究物质超快信息方面。 2 0 世纪9 0 年代以来相继研制成功了重复频率较低、输出激光脉宽小于5 0 f s 、 峰值功率在2 t w 以上的激光系统。1 9 9 4 年，加利福尼亚太学的c pj b a r r y 等 人首次通过控制飞秒量级的相位和振幅畸变，重复率1 0 h z 时，获得了3 0 f s 4 0 t w 的脉冲【9 】。1 9 9 5 年c pj b a r r y 等人进一步改善系统，获得了1 5 f s 1 0 0 t w 的高 能量激光脉冲 1 0 。1 9 9 9 年h w a n g 等人仅用三级多通放大系统，产生了大于 4 0 t w 2 4 t 1 0 h z 、平均能量为1 0 w 的放大激光脉冲，输出强度大于i 1 0 伸w c m 2 f 1 1 1 。1 9 9 8 年，日本原子能研究所高等光子研究中心的k y a m a k a w a 与c ej b a r r y 等人合作，采用f - p 标准具来控制增益窄化效应和增益饱和效应，同时补 第一帮超扶强激光技术的发展发现状 偿了多层电介质镜的三阶色散，采用两级钛宝石放大器，i o h z 重复频率f 产，卜 了1 6 f s 1 0 t w 的激光脉冲，锁模脉冲经过展宽器后脉冲宽度展宽1 0 5 倍以上，并 获得了当时所有钛宝石啁啾脉冲放大系统中最大的抽取效率4 6 4 ，达到了理沦 值的9 0 1 2 】。1 9 9 9 年，k y a m a k a w a 等人将系统继续改进，获得了输出放人激 光脉宽为1 9 f s 、压缩后脉冲参量为1 9 j 1 0 0 t w 1 0 h z 的激光，激光聚焦后的峰值 功率密度为3 x 1 0 ”w e r a 2 【1 3 】。2 0 0 3 年，他们再次将系统进步升级，获得了峰 值功率为o 8 5 p w ( 8 5 0 t w ) ，经过压缩后脉宽为3 2 9 f s 的脉冲i s l 。该系统的能量 抽取效率达到了理论极限5 7 5 ，同时这也是此类放大系统到闩前为止得到的最 高功率，基本上代表了目前钛宝石激光放大装置的最高发展水平。 高重复频率强激光系统的发展没有低重复频率系统迅速，但是近午来也在1 i 断提高。1 9 9 3 年，j s q u i e r 等人实现了1 6 0 f s 2 3 0 9 j 、重复频率1 0 k i l z 的脉冲输 出，平均功率超过2 w 1 1 4 1 。1 9 9 7 年，西安光学精密机械研究所在国内首次完成 了高重复频率飞秒脉冲的产生和放大实验工作，获得的单脉冲能量在1 0 0 d 以 上，脉宽小于5 0 f s ，重复频率为5 k h z 【15 。1 9 9 8 年，yn a b e k a w a 等人得到了 2 1 f s 1 4 m j 1 k h z 的激光脉冲，峰值功率提高到了o 6 6 t w ，平均功率达到1 4 w 1 1 6 1 。 1 3 2 高效储能大孔径介质强激光系统 高效储能大孔径介质强激光系统一般来说脉宽为几百飞秒，输出能量可达数 _ 1 焦耳甚至数百焦耳，峰值功率相应达到数百t w 甚至p w 以上，聚焦功率达到 了1 0 引w c m 2 。这方面的研究多集中在世界上少数几个国家的研究机构，比较有 代表性的如美国的利佛莫尔国家实验室( l l n l ) 、日本大阪大学激光工程研究所 ( 1 l e ) 、英国卢瑟福实验室( r a l ) 、阿本原子能研究所( j a e r l ) 、法国里梅尔实验 室( l i m e i l ) 等f 1 7 2 3 】。1 9 9 9 年，美国l a w r e n c el i v e r m o r 国家实验室利用 t i ：s a p p h i r e - n d ：g l a s s 激光系统产生了大于1 5 0 0 t w 即1 5 p w 峰值功率的激光脉 冲，聚焦后的峰值功率密度达到7 x 1 0 2 0 w c m 2 ，这是目前所获得的峰值功率最高 的激光脉冲 6 】。 1 4 超快强激光技术的应用 超快强场激光系统有两个突出的特点：一是脉冲聚焦功率高，远大于任何原 子的内部场强，因而任何介质在如此强的场中都会离化为等离子体，此时物质的 运动状态不由物质内部相互作用决定；第二点是脉冲宽度比较小，一般小于介质 的弛豫时间，可以探测生物学或化学反应的快速过程。这些极端的物理条件都为 现代科学提供了全新的研究领域。 利用聚焦的飞秒激光聚焦功率高的特点，可以创造高压、高温、高密度的极 端物理条件，以及脉宽为周期乃至亚周期量级的超短超强激光与物质的高度非线 第一常超快强撇光技术他笈展及现状 性相互作用时出现的新现象与新规律，并由此产生新概念与新理论。在超高能量 密度物理、激光等离子体物理、强场物理、超快信息光子学等研究领域有厂4 泛应 j j 。如：“快速点火”惯性约束核聚变【2 4 、高能量密度物理、高强度x 射线辐 射源【2 5 】、产生激光高次谐波、超快软和硬x 射线的产生、超快化学反应动力 学和天体物理等。同时也将为当代一些重要高技术领域的创新发展，如突破e 秒 ( 1 0 。5 s ) 级壁垒的阿秒( 1 0 - 1 8 s ) 科学新原理，小型化超高梯度粒子加速新概念等，提 供原理依据和科学基础，所以目前各国都存积极进行超短超强激光系统的研制和 探索 2 6 ，2 7 1 。 1 5 5 t w 级超快激光系统研制目的与主要方法 现在国内已有数家实验室和研究机构参与到超快强激光技术领域中来，鉴于 新一代超快强激光系统的开拓与研究是当前国际科学技术研究中的重要自h 沿，以 及c p a 技术的迅速发展和在现代物理领域中的重要作用，华东师范大学建立r “重大科技创新项目o p c p a c p a ”。本项目是通过华东师范大学与中科院上海光 机所合作，确立强场、超快飞秒激光技术与非线性光物理最前沿的研究方向，建 立国内具有超强、超快、非线性光物理效应结合的高校系统中具备特色的重要实 验平台。 我们通过自行设讨研制，现在已经成功搭建完成了5 t w 4 0 f s 缴的c p a 系统。 5 t w 级超快激光系统飞秒脉冲在强场物理方面已经可以有很广泛的应用范闭。 这类激光系统输出的激光脉冲聚焦后峰值功率密度能够达到1 0 1 4 w c m 2 阻- 量 级，可以应用于高能量光与物质问的相互作用以及超快软、硬x 射线的产生； 高次谐波的产生；在大气中传输时产生光丝现象以探测大气污染以及超快化学反 应动力学等诸多领域。 5 t w 级超快激光系统的研制主要是在引进s - p 公司生产的飞秒振荡器和 t s a 2 5 系统作为前级的基础上，通过增加二级c p a 系统对引进的激光系统进行 升级和性能优化。经过压缩后的脉冲峰值功率可达5 t w 以上，脉冲宽度在4 0 r s 量级。 1 6 论文结构 本论文主要介绍超快强激光技术中涉及到的若干关键技术，并结合研制 5 t w 4 0 f s 级c p a 系统实验过程中遇到的关键问题进行讨论。讨论的内容主要包 括：c p a 系统各主要组成部分工作原理、实验性能指标等；5 t w 4 0 f s 级台式钛 宝石激光放大系统的实验研究；放大过程中遇到的若干物理问题的控制技术； c p a 系统涉及到的相关测量评价技术。本论文针对这些问题分几个章节进行了洋 细的阐述和讨论，下面是各个章节的主要内容： 第一犟超快强激光技术的发展及现欹 第一章综述了超快强激光技术的发展过程、发展现状以及它在现代物理领域 中广泛的应用前景。重点介绍了c p a 技术提出的物理思想及原理、实验方法以 及主要包括的实验系统等。 第二章介绍了c p a 系统的主要组成部分，总结概括了它们的工作原理、结 构特点。介绍了研制5 t w 4 0 f s 级台式钛宝石激光系统时的设计思想，以及我们 对各级放大器增益设计的框架结构等。对5 i w 4 0 f s 级台式钛宝石激光系统各纠 成部分的工作原理及其工作过程作了萤点说明。 第三章研究了5 t w 4 0 f s 级台式钛宝石激光系统的能量放大系统。我们针列 多通能量放大系统开展了一些实验研究。为了使系统能够安全稳定运行，通过对 放大器中增益介质钛宝石晶体的选择、抽运密度以及多通放大器中结构通道数的 选择等方面作了一系列实验，并相应总结了研制5 t w 级c p a 系统的各项重要参 量。研制了符合实验要求的具有高抗损伤阈值的各类膜片等光学元件。同时也研 究了能量放大过程中遇到的若干物理问题，在了解其原理的基础上提出了相对切 实可行的解决方案和控制技术。最后还介绍了我们研制的这套1 0 h z 重复频率的 c p a 系统同步控制技术的实现方法。 第四章主要介绍了脉冲宽度测量技术以及光斑质量评价方法。结合我们在实 验过程中使用的测量仪器，介绍了它们的工作原理，使用相应的测量手段有助1 我们评价和改进系统性能参量。同时也给出了我们实验过程中的实验结果并进行 了分析评价。 第五章总结了整个论文的内容和本论文完成的创新工作，并介绍了下一步将 要进行的激光系统优化升级实验以及应用飞秒激光脉冲在强场物理方丽实验的 设想。 第一章超缺强激光技术的发展及瑰状 参考文献 【l 】d s t r i c k l a n d ，gm o u r o u s ，c o m p r e s s i o no fa m p l i f i e dc h i r p e do p t i c a l p u l s e 】1 o p t c o m m u n ，1 9 8 5 ，5 6 ：2 1 9 - 2 2 1 【2 r l f o r k ，b i ，g r e e n ，a n dc 。v s h a n k ，g e n e r a t i o no f o p t i c a lp u l s e ss h o r t e rt h a n o 1 p s b yc o l l i d i n g p u l s e m o d e l o c k i n g 【j 】，a p p le h y , l e f t ，1 9 8 l ，3 8 ：6 7 l 6 7 2 3 】d e s p e n c e ，pn ，k e a n ，a n dw s i b b e r t ，6 0 一f s e cp u l s eg e n e r a t i o nf r o n la s e l f - m o d e l o c k e d t i ：s a p p h i r el a s e r 【j l ，o p t l e t t ，1 9 9 1 ，1 6 ( 1 ) ：4 2 4 4 f 4 】e 、j l e m e r , u l t r a f a s tl a s e r sd e l i v e rp o w e r f u l ，p r e c i s ep u l s e s 阮lfw o r l d , 1 9 9 8 ， 3 4 ( 1 2 ) ：7 7 8 4 5 】m a o y a m a ，k y a n a a k a w a ，y a k a h a n ee la l ，o 8 5 - p w ，3 3 一f sy i ：s a p p h i r el a s e r j 】，o p t l e t t ，2 0 0 3 ，2 8 ( 1 7 ) ：1 5 9 4 - 1 5 9 6 【6 】6m d p e r r y , d p e n n i n g t o n ，b c s t u a r te ta 1 ，p e t a w a t tl a s e rp u l s e s 【j 】，o p tl e t t ， 1 9 9 9 ，2 4 ( 3 ) ：1 6 0 - 1 6 2 7 】李隆，黄圣鸿，穆参军等，高功率飞秒脉冲激光器的进展【j ，光学技术，2 0 0 2 ， 2 8 ( 6 ) ：5 2 8 5 3 0 8 】p f n l o u l t o n ，s p e c t r o s c o p i ca n dl a s e rc h a r a c t e r i s t i c so ft i ：a 1 2 0 3 【j j ，o p t s o c a m b ，1 9 8 5 ，3 ( 1 ) ：1 2 5 1 3 2 9 】c ，pj b a r r y , gl g o r d o n ，b e l e m o i f , m u l t i t e r a w a t t3 0 - f st i ：s a p p h i r el a s e r s y s t e m 【j 】，o p tl e t t ，1 9 9 4 ，1 9 ：1 4 4 2 - 1 4 4 4 【1 0 】c pj b a r r y , t g u o ，c l b l a n ce ta l ，g e n e r a t i o no f 18 f s ，m u l t i t e r a w a t tp u l s e s b yr e g e n e r a t i v ep u l s es h a p i n ga n dc h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n j 】，o p l l e t t ， 1 9 9 6 ，2 1 ：6 6 8 - 6 7 0 【11 h w a n g ，s b a c k u s ，z c h a n g e ta z ，g e n e r a t i o no f1 0 w a v e r a g e p o w e r , 4 0 t w p e a k - p o w e r , 2 4 - f sp u l s e sf r o mat i ：s a p p h i r ea m p l i f i e rs y s t e m 【j 】，o p t 曲ca m ， 1 9 9 9 ，1 6 ( 1 0 ) ：1 7 9 0 - 1 7 9 4 【1 2 k y a r n a k a w a ，m a o y a m a ，s m a t s u o k ae ta 1 ，g e n e r a t i o n o f1 6 一f s ，1 0 t w p u l s e sa ta1 0 h zr e p e t i t i o nr a t ew i t he f f i c i e n tt i ：s a p p h i r ea m p l i f i e r s 【j l ，o p t l e t t ，1 9 9 8 ，2 3 ：5 2 5 - 5 2 7 【1 3 】k y a m a k a w a ，m a o y a m a ，s m a t s u o k ae ta 1 ，1 0 0 一t ws u b 一2 0 一f st i ：s a p p h i r e l a s e rs y s t e mo p e r a t i n ga ta1 0 一h zr e p e t i t i o nr a t e 田，o p t l e t t ，t 9 9 8 ，2 3 ( 1 8 ) ： 1 4 6 8 1 4 7 0 【1 4 】j s q u i e r , gk o m ，gm o u r o ue ta 1 ，a m p l i f i c a t i o no ff e m t o s e c o n dp u l s e sa t 1 0 一k h z r e p e t i t i o nr a t e si nt i ：a 1 2 0 3 j 】，o p t l e t t ，1 9 9 3 ，1 8 ( 8 ) ：6 2 5 6 2 7 第一章超快强撇光技术的发展及现状 1 5 j 赵尚弘，王屹山，陈果夫等，钛宝石飞秒脉冲的产生和高重复率放人及压缩 实验研究 j ，中国科学( a 辑) ，1 9 9 7 ，2 7 ( 1 2 ) ：1 1 3 6 1 1 4 1 【1 6 】yn a b e k a w a , yk u r a m o t o ，t t o g a s h ie ta 1 ，g e n e r a t i o no f0 6 6 - t wp u l s e sa t1 k h z b y at i ：s a p p h i r el a s e r 【j l ，印fl e f t ，1 9 9 8 ，2 3 ：1 3 8 4 1 3 8 6 【17 】m d p e r r y ，c r o s s i n gt h ep e t a w a t tt h r e s h o l d 【j ，s c i e n c e t e c h n o l o g yr e v i e ， 1 9 9 6 ，( 4 ) 【l8 】m d p e r r y ，t h ea m a z i n gp o w e ro ft h ep e t a w a t t 【j 】，s c i e n c e t e c h n o l o g y r e v i e w ，2 0 0 0 ，( 4 ) 【i9 j a h e l l e rj a n ，u s p o p e n sn e ww o r l d o fp h y s i c s r e s e a r c h 【j 】，s c i e n c e t e c h n o l o g yr e v i e w ，2 0 0 0 ，( 2 5 ) 【2 0 】c n d a n s o ne ta 1 ，f o c u s e di n t e n s i t i e so f1 0 2 0 w e r a 2w i t ht h eu p g r a d e dv u l c a n c p ai n t e r a c t i o nf a c i l i t y j 】p r o c e e d i n go f s p i e ，1 9 9 8 ，3 4 9 2 ：8 2 【2 1 y k i t a g a w ae ta 1 ，g e k k ox l ip e t a w a t tm o d u l ep r o j e c t 【r ，a n n u a lp r o g r e a ；s r e p o r t ，1 9 9 8 2 2 1 j p z h o ue ta i ，t h el u l l1 0 0 一t wt i ：s a p p h i r e n d ：斟a s sl a s e r ：af i r s t s t e p t o w a r d sah i g hp e r f o r m a n c ep e t a w a t tf a c i l i t y 【j 】，p r o c e e d i n go fs p i e ，1 9 9 8 ， 3 4 9 2 ：9 4 【2 3 】m d