通过钛蓝宝石激光微透镜阵列对CPA钛蓝宝石激光系统的主放大器泵浦源光束进行匀化，获得了高质量的高强度飞秒激光

在高强度飞秒啁啾脉冲放大（CPA）钛蓝宝石激光系统的主放大器中，采用专为该体制设计的微透镜阵列（即钛蓝宝石激光微透镜阵列）对其532nm泵浦光进行了均匀化处理。实验测量数据表明，经该飞秒激光微透镜阵列（532nm MLA）匀化后，主放大器输出CPA光束的近场分布获得了显著改善。聚焦光斑尺寸从2.7倍衍射极限（DL）提升至1.6倍DL。在靶室中使用f/4离轴抛物面镜（OAP）聚焦，测得光斑尺寸为5.8 µm（半高全宽，FWHM），在输出功率120 TW时获得峰值强度2.6 × 10^20 W/cm²。采用更小f数的聚焦构型并结合波前校正，有望获得超过10^21 W/cm²甚至10^22 W/cm²的峰值强度。

飞秒、太瓦至拍瓦级的啁啾脉冲放大（CPA）[1]激光器广泛应用于强场激光与物质相互作用的研究。激光的聚焦峰值强度是大多数实验或应用中的关键参数。在强度高于10^18 W/cm²时，相对论效应主导激光与物质的相互作用。电子或等离子体对光场的相对论响应催生了多种研究和应用领域，例如等离子体中的高次谐波产生[2]、电子加速[3]、质子/离子加速[4]、惯性约束聚变中的“快点火”概念[5]。在更高强度下，新的物理现象，如量子电动力学效应，可能得以实验研究[6]。总的来说，随着激光强度的提高，将会揭示基础物理和应用前沿的新领域。

提高强度最直接的方法是增加激光系统的输出功率，即增加激光脉冲的能量或缩短脉冲持续时间。因此，全球已建成或正在建设多个拍瓦级CPA激光系统。然而，所获得的峰值强度仅随功率线性增长。由于高功率泵浦源的成本和复杂性，以及标准CPA链中增益窄化和非线性色散导致难以获得更短的脉冲持续时间，激光系统的峰值功率不易提升。另一个限制峰值强度的关键参数是聚焦光斑尺寸。由于峰值强度与光斑尺寸的平方成反比，减小光斑尺寸可以大幅提高强度。

获得尽可能小的聚焦光斑尺寸有两种途径：一是使用高质量、小f数的聚焦透镜或反射镜；二是改善输出光束的质量，即最小化激光系统光学元件引起的像差以及由放大介质或泵浦光束非均匀性引起的光束轮廓不均匀性，并利用自适应光学（AO）系统校正波前。最近有报道称，在45 TW激光系统上，结合f/0.6离轴抛物面镜（OAP）和自适应光学波前校正，获得了衍射极限（DL）的焦斑，尺寸为0.8 μm（半高全宽，FWHM）[7]，并宣称创纪录的峰值强度达到了0.7 × 10^22 W/cm²。本文中，我们基于120 TW、36 fs的CPA激光系统[8]展示了高质量激光光束。通过使用微透镜阵列对主放大器的泵浦光束进行匀化，获得了远场发散角为1.6倍衍射极限的高质量光束。使用f/4离轴抛物面镜，在靶室中获得了5.8 μm（半高全宽）的焦斑，据我们所知，这是未采用自适应光学波前校正的系统中获得的最佳结果。

该激光系统是一套标准的高功率CPA钛蓝宝石系统[8,9]，可在10 Hz重复频率下输出峰值功率23 TW、脉冲宽度33.9 fs的脉冲。通过增加一个由单次运行、倍频的Nd:玻璃激光系统泵浦的放大器，可获得120 TW的输出。在10 Hz运行时，采用两台商用倍频Nd:YAG激光器作为多通主放大器的泵浦源。每台激光器输出1.2 J、7 ns、532nm的脉冲，重复频率10 Hz。泵浦光束的非均匀性源于振荡器的不稳定腔结构，并导致放大的CPA激光束不均匀（图1(a)）。CPA光束的近场图案包含环状结构和几个明显的热点。当系统在高功率水平下运行时，这种有缺陷的能量分布容易损坏光学元件，并导致聚焦能力差。对泵浦光束或CPA光束应用空间滤波可以改善光束质量，但会损失大量能量。为了解决这一问题，我们添加了两个啁啾脉冲放大微透镜阵列，为多通主放大器产生两个平顶分布的泵浦光束。

图1. 主放大器输出激光束的横截面能量分布图案：(a) 未使用啁啾脉冲放大微透镜阵列匀化主放大器泵浦光束；(b) 使用钛蓝宝石激光微透镜阵列匀化主放大器泵浦光束。

使用钛蓝宝石激光微透镜阵列对CPA激光器泵浦光束进行匀化的技术最初由Dichiara等人[10]提出。他们通过使用飞秒激光微透镜阵列校正泵浦光束，在4 TW CPA光束中获得了高斯型的近场分布。考虑到输入到主放大器的光束轮廓已经接近高斯型，在我们的实验中采用了平顶发生器，即能够将不均匀光束分布校正为平顶能量分布的飞秒激光微透镜阵列。532nmMLA微透镜阵列是商用产品。每个阵列尺寸为15 × 15 (mm)，由六边形负微透镜像素密集排列而成。每个像素直径为1 mm，曲率半径为91 mm。该阵列放置在泵浦激光器输出端与增益介质之间，距增益介质中心约1300 mm。它能在目标平面上产生平顶分布，能量密度波动小于15%。同时，泵浦光束直径从10 mm扩大到15 mm以适应CPA光束的尺寸，光束形状从圆形变为六边形。

为了测量23 TW CPA光束的聚焦能力，采用了f/100的聚焦光学元件。由于输出脉冲是宽带激光脉冲，为避免单透镜的色差，使用了长焦距球面反射镜。图2(a)和(b)显示了泵浦光束匀化前后的焦斑。激光光束质量β因子的定义是衍射极限倍数因子β，即实测焦斑尺寸与衍射极限之比。衍射极限Δy = 1.22λ/2sinθ = 1.22λ·f/d = 1.22×800 nm×5000 mm/80 mm ≈ 100 μm。凹面反射镜焦距f = 5 m，激光光束直径d=80mm。

图2. 泵浦光束匀化前(a)和匀化后(b)的远场强度分布。f/100聚焦光斑的束腰实测直径分别为270 µm (a)和160 µm (b)。CCD的最小分辨率为0.16 µm。

结果表明，采用泵浦光束匀化技术后，远场聚焦能力得到了极大改善。根据实测光斑尺寸，远场发散角变小了。激光光束质量β因子从2.7变为1.6。

为了充分研究可达到的峰值强度，对相互作用靶室中的焦斑进行了表征。聚焦和测量系统的光路对准如图3所示。光束通过f/4离轴抛物面镜聚焦，并使用10倍、数值孔径NA=0.25的物镜将焦斑成像到CCD上。在调整成像系统时，放置了一根直径为30 μm的细丝，使其叠加在焦斑上以标定放大倍数（图5）。CPA激光系统被充分泵浦，光束通过压缩器前的偏振衰减器衰减。使用衰减后的光束时，焦点处不会发生空气击穿，从而可以直接测量光斑尺寸。图4显示了激光焦点的实测光斑尺寸和强度分布。焦点处的实测光斑尺寸为5.8 μm（半高全宽），总测量能量的40%分布在半高全宽范围内。测得的峰值强度是半高全宽区域内平均强度的1.35倍。根据焦斑的这些特性，我们可以推知：在23 TW输出时峰值强度为4.8×10^19 W/cm²；使用f/4聚焦光学元件，在120 TW输出时将达到2.6×10^20 W/cm²的峰值强度。

图3. 靶室中焦斑表征方法的示意图。

图4. 焦斑的强度分布图案及其三维轮廓。

图5. 一根直径为30 µm的细丝被放置并叠加在焦斑上。放大倍数约为110倍。

显然，使用更紧的聚焦构型（即采用更小f数的离轴抛物面镜）可以获得更高的峰值强度，因为在理想聚焦条件下，光斑尺寸与f数成正比。例如，使用商用的f/2抛物面镜，预期峰值强度在23 TW时将达到1.9×10^20 W/cm²，在120 TW时将达到9.8×10^20 W/cm²。然而，更小f数的反射镜意味着制造和对准难度更大。在参考文献[7]中，使用f/0.6离轴抛物面镜获得了直径为0.8 μm的焦斑。在理想情况下，我们的激光系统光束同样可以被聚焦到0.87 μm的尺寸，从而在23 TW时产生2.1×10^21 W/cm²的峰值强度，在120 TW时产生1.2×10^22 W/cm²的峰值强度。当然，正如参考文献[7]所表明的，应当采用自适应光学系统来校正聚焦反射镜和光束本身的像差。

总之，通过532nmMLA微透镜阵列对主放大器泵浦源光束进行匀化，我们获得了高质量的高强度飞秒激光束。近场横截面能量分布图案和远场聚焦能力均得到显著改善。光学测量表明，在f/4聚焦构型下，靶室中的焦斑直径为5.8 μm（半高全宽）。通过表征焦斑，在23 TW功率水平下实现了4.8 × 10^19 W/cm²的峰值强度；在120TW输出功率下，可获得2.6 × 10^20 W/cm²的峰值强度。

文章来源：W. Wang, Y. Cai, B. Shuai, W. Wang, Y. Jiang, L. Lin, R. Li, and Z. Xu, "Beam quality improvement and focused peak intensity measurement of an intense femtosecond Ti:sapphire laser system," Chinese Optics Letters, vol. 4, no. 10, pp. 583–585, Oct. 2006.