美国罗彻斯特大学MTW-OPAL——面向数十拍瓦的超强光参量啁啾脉冲放大系统技术原型

超强激光的出现促使一系列具有革命性的新领域的发展。60年前激光被发明后不久，科学家们就有了输出超亮光束的想法。激光具有高空间相干性，能够在空间中被聚焦到极小的尺度。随后，科学家们发明了高频谱相干性的宽带激光器，成功实现了超短脉冲的输出。到了20世纪80年代中期，啁啾脉冲放大技术的发明使研究人员成功将激光脉冲展宽、放大、压缩，最终聚焦到超高强度，由于发明了这一突破性技术，G.Mourou与D.Strickland被授予2018年的诺贝尔物理学奖。

在这些技术的推动下，超强激光焦点处产生的电磁场达到了前所未有的程度，不但超越了原子内部的库仑场，而且足以将亚原子粒子加速到相对论性速度，创造高能量密度的新物态。超强激光的重要应用是产生高能粒子与辐射源——如电子、质子以及伽马射线等，它们在多个领域中均有着广泛的前景。

超强激光新突破

这一激动人心的应用潜力促使全球超强激光装置的快速发展，Colin Danson等人已在其综述中做了总结（Danson et al. HPLSE 7, e54 (2019)）。目前，全世界的多个超强激光装置已可以输出拍瓦级（1015W）激光脉冲，其聚焦强度接近1023 W/cm2，激发等离子体中的强相对论效应。建造这些超强激光装置的另一个重要愿景是能产生强度足够高的电磁场，使真空中不断涨落的虚粒子对在湮灭前获得足够能量，形成实正负电子对，即从真空中直接产生物质。

在发表于High Power Laser Science and Engineering 2021年第4期的文章中，美国罗彻斯特大学的研究人员介绍了他们发展的MTW-OPAL，一个用于超强激光研发和科学实验的新型光学参量放大束线（optical parametric amplifier line, OPAL）（J. Bromage, S.-W. Bahk, M. Bedzyk, et al. MTW-OPAL: a technology development platform for ultra-intense optical parametric chirped-pulse amplification systems[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(4): 04000e63）。文章被选为封面论文。

Highlights

该系统的设计输出功率为0.5拍瓦，可扩展至数十拍瓦。核心子系统是放大链路中第五个设备：大孔径非共线光学参量放大系统（noncollinear optical parametric amplifier, NOPA）。数太瓦级（Multi-Terawatt, MTW）钕玻璃激光泵浦磷酸二氘钾（DKDP）晶体，在45 mm²的光束面积中产生带宽大于150 nm、中心波长为920 nm 的11 J脉冲。DKDP晶体能生长至数百毫米，可为千焦耳级飞秒系统提供宽带增益。MTW-OPAL实际上只是所设想的全尺寸EP-OPAL系统的中等原型，其中四条OMEGA EP束线中的两条被用于泵浦最后一个NOPA，以输出两束25拍瓦光束，其整体设计还包括另外两束千焦耳级纳秒紫外光束。

*EP-OPAL原理图中显示了泵浦最终阶段NOPA6放大系统的两种方案；

该放大系统将同一个前端发出的种子激光放大为两束25拍瓦光束

Dustin Froula博士是罗彻斯特大学LLE实验室等离子体与超快激光科学与工程部门的主管、罗彻斯特大学的物理学教授，目前正在主导设计将该设备应用于令人激动的科学案例。他说：“EP-OPAL是高能科学的未来，借助它的使能技术，可以解决超快时间尺度下的问题，可以在极端条件下制造材料，同时培训下一代科学家和工程师，从而提高罗彻斯特大学解决未来任务的能力。”

转自：剑桥学术

文章来源于激光评论 ，作者都玮编辑

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