宽带低相干激光驱动装置研究取得新进展

历史上，美国(Pharos III)、法国(PHEBUS)、日本 (Gekko XII)、俄罗斯(Kanal-2) 等国均尝试过低相干激光驱动装置的研制，但受限于当时的技术条件，均未获得理想的结果。低相干装置曾尝试采用激光ASE源、空间低相干光源、调Q低相干激光源等作为种子源。但由于这些低相干光源光谱相位的关联性较高，易产生时域强尖峰，导致后级放大链灾难性损伤，另外空间上的低相干性会让空间强调制与时域强调制耦合，进一步恶化光束质量。上海激光等离子体研究所激光技术团队提出的基于单横模类热源的技术路线，一方面能最大限度降低光谱相位的关联性，减小时域尖峰；另一方面严格采用单横模放大传输，保证光束质量和转换效率。该装置首次引入超辐射发光二极管 (SLD) 作为种子源，可提供宽达 25 nm 的光谱输出，通过时间和光谱精密控制，实现了脉冲波形、光谱分布宏观无关联的精密调控。
    
       为使放大过程中保持时间低相干特性，在高增益段利用双折射光谱滤波的方法对光脉冲进行多级光谱调控，补偿钕玻璃放大过程中的增益窄化，保证后级放大器的增益带宽。主放系统采用“六片五程”的放大构型，将脉冲能量放大至 kJ 级。低相干宽带基频输出可达1000 J/3 ns，光谱半高宽超过13 nm，具有较好的近场均匀性和可聚焦能力，如下图所示。

宽带低相干装置主放输出基频光的 (a) 近场分布及(b) 远场聚焦特性、(c) 时间波形、(d) 基频及倍频光谱分布

为提高激光等离子体相互作用的耦合效率，开展了宽带低相干光高效的谐波转换研究。通过对低相干光非线性过程的理论分析，引入统计光学方法，建立了相应的理论模型及数值计算模型。由于低相干光具有瞬时宽带的特性，其谐波转换过程包含所有频率分量间的混频过程，更为复杂。实验上，利用低掺氘KDP晶体的折返点相位匹配方法，实现了千焦级低相干光65%的倍频转换，倍频光谱分布是基频光谱的自卷积，呈三角形分布，其半高全宽为3.2 nm。同时，为进一步降低靶面焦斑的不均匀性，我们发展了适用于低相干光特性的束匀滑技术，通过阶梯板将时间低相干特性转移到空间，即诱导空间非相干技术 (ISI)，并结合空间束匀滑方法，例如阵列透镜 (LA)、连续相位板(CPP) 得到了较好的束匀滑效果。截止目前，基于上述束匀滑方案，该装置已开展多轮物理实验，初步展示了低相干光在抑制激光等离子体不稳定性方面的优势。

      论 文 信 息 Development of low-coherence high-power laser drivers for inertial confinement fusion Yanqi Gao, Yong Cui, Lailin Ji, et al.,Matter and Radiation at Extremes 5, 065201 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0009319