利用自适应光学元件 200TW先进激光光源实现了波前修正

        作者：Gail Overton

        加拿大魁北克大学、莫斯科州立开放大学（Moscow State Open University）和Night N公司（俄罗斯）的研究人员利用大口径自适应光学元件，对位于蒙特利尔附近Varennes市的200TW先进激光光源（ALLS）实现了激光束的波前修正。[1]据悉，这是第一台同时具有超高强度、高对比度系数和高重复频率的超高功率激光器，可用于研究激光与物质的相互作用。

        尽管有些激光与物质相互作用的研究（如高能粒子加速和高亮度X射线源研究）可以采用峰值光强为1018～1019 W/cm2的激光器来实现，然而诸如利用超薄固体金箔靶产生质子，以及开发用于医学成像的高通量激光硬X射线源等应用，则要求高能激光光源的光强水平达到 1020 W/cm2，同时还要具有很高的峰值功率和平均功率，以及超净的时间波形。

        为了获得如此高的光强，通常要求激光的焦斑很小。现有的高功率掺钛蓝宝石激光器系统通常可以获得脉宽为25fs的激光脉冲，但是提高激光能量会导致放大晶体中产生热效应，使激光波前发生畸变。虽然利用离轴抛物面反射镜将激光束聚焦，可以避免非线性效应并降低波前畸变，但是这样的光学元件不但加工困难，而且成本高昂。

        研究人员通过在几个掺钛蓝宝石系统上采用变形反射镜实现了自适应光学系统，使这些系统的激光强度达到了1022W/cm2。然而，这些系统的焦距较短，而且0.1Hz的重复频率也无法满足大多数应用的需求。尽管日本原子能研究院（JAERI）的100TW激光系统实现了近衍射限聚焦，对于23fs 的激光脉冲输出，光强可达1020W/cm2，然而其激光脉冲对比度系数（定义为激光脉冲峰值功率与背景噪声的比率）很差。

        自适应光学元件

        为了在200TW级先进激光光源上克服这些缺点，研究人员采用耦合到变形反射镜的波前传感器和聚焦光学元件实现了波前测量和光束修正。这套先进激光光源（由法国Amplitude Technologies公司制造）采用了掺钛蓝宝石和啁啾脉冲放大技术。该先进激光光源的中心波长为800nm，激光重复频率为10Hz，其组成包括一个振荡器、一个具有固态可饱和吸收体的增强器用于提高脉冲对比度、一个光栅展宽器用于将脉冲持续时间增加到350ps、一个再生放大器，以及一个由总泵浦能量为16J的14个Nd:YAG激光器泵浦的功率放大级。

        最开始，由振荡器产生光谱带宽为100nm的18fs激光脉冲。一块声光可编程散射滤光片（AOPDF）置于展宽器前面用来控制光谱相位，另一块AOPDF放在再生腔中用来控制脉冲的光谱振幅，经过压缩之后可以产生半高全宽为55nm、脉宽为25fs、峰值功率为150TW的脉冲输出。
使用高动态范围的三阶正交相关仪测得激光脉冲的对比度系数优于109。这个参数对于涉及激光束与高密度固体靶相互作用的应用来说是至关重要的。为了防止由于热透镜效应引起的束散角变化，以及由热载荷导致的脉冲波前畸变，研究人员在最后两级放大中采用制冷部件，将掺钛蓝宝石晶体冷却到-80℃。

        研究人员采用由48个受高压控制的压电陶瓷电极构成的变形反射镜实现了最优化的激光聚焦。波前测量系统的精度为λ/20。利用一个缩束望远镜将光束转移到波前传感器上，即可测量波前。Shack-Hartmann型波前传感器可以重构光束的波前相位图。在用变形反射镜进行波前修正前和修正后，都要测量光束波前和焦斑（如图）。

        如果变形反射镜上不加电压，波前的均方根（rms）值为0.471λ，在激光峰值强度1.2×1020W/cm2的1/e2处，激光的光斑尺寸为8.6×14.8μm2。进行波前修正以后，波前的均方根值显著降至0.063λ，并且1/e2处的光斑尺寸也减小到7.0×7.8μm2，此时对应的峰值强度为3× 1020W/cm2（与未经过修正的波前相比，提高了两倍多）。

        魁北克大学的研究人员Sylvain Fourmaux表示，“目前我们的目标是证明这样的激光器系统可用于产生高通量的硬X射线源或质子束。”

参考文献：
1. S. Fourmaux, et al., Optics Exp. 16, 11987 (Aug. 4, 2008).