上海光机所：助力超强激光种子源对比度提升四个数量级

超强超短激光技术为科学家研究极端物理条件下的物理现象提供了有力的工具。在强场激光物理研究领域，如高次谐波产生、惯性约束核聚变快点火、激光高能粒子加速、阿秒科学研究等都需要高强度的超短激光脉冲作为光源。随着脉冲放大技术的不断发展，科学家能够获得的激光脉冲的峰值功率越来越高，目前已经达到了PW量级，其聚焦功率密度已经达到了 10²³ W/cm²量级。在这样极端的聚焦功率密度下，超强超短激光脉冲的时域对比度成为衡量脉冲质量的一个重要参数。

超强超短激光脉冲的时域对比度的定义为主脉冲强度与其它卫星脉冲或放大自发辐射强度的比值。目前典型的振荡器或放大器输出脉冲的对比度为 10^6-8。当主脉冲聚焦功率密度达到 10^16-18 W/cm²量级时，其预脉冲的聚焦功率密度便有可能使得靶物质材料气化并产生等离子体（一般固体材料的电离阈值在 10^10-12  W/cm²量级）。这些等离子体随时间的增加迅速扩散，其密度迅速下降。这样激光主脉冲实际上是与这些低密度的等离子体发生相互作用，从而对整个强场激光物理实验造成影响。因此，提升激光脉冲时域对比度对于超强激光系统必不可少。

近日，上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用光参量放大技术结合倍频技术实现了将脉冲时域对比度从7次方提升到11次方，提升了四个数量级，获得了重复频率为1 kHz单脉冲能量为112 μJ针对钕玻璃放大波段的超强激光种子源。该装置将中心波长为1036 nm的激光脉冲通过基于BBO晶体的非线性光参量放大技术变换到中心波长为2106 nm的激光脉冲，再利用倍频过程，最终输出中心波长为1053 nm的激光脉冲，既实现了中心波长的变换又提升了激光时域对比度。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第1期的文章。

（Liya Shen, Yanyan Li, Wenkai Li, et al. High temporal contrast 1053 nm laser source based on optical parametric amplification and second-harmonic generation[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 010000e1）

该激光种子源系统的结构如图1(a)所示，包括超连续谱的产生与两级非共线光参量放大三部分，其中非共线光参量放大具体结构如图1(b)所示。整个飞秒激光系统最终输出脉冲时域对比度如图2(a)所示，对比度测量已达到仪器的测量极限。利用频率分辨光学开关（Frequency Resolved Optical Gating，FROG）测量其脉冲宽度为70 fs，接近傅里叶变换极限脉宽,其光谱与时域如图2(b)和(c)所示。

图1 飞秒激光系统结构图

编辑 | 周琦雅