基于LBO的OPCPA--通往千萬瓦級激光器之路

用于光參量放大（OPA）的 LBO晶體具有高閾值損傷，結合啁啾脈沖放大（CPA）-（OPCPA）是實現極高激光峰值功率（兆瓦、千萬瓦）的有力工具。如何實現？為什么 LBO 是最適合這一任務的晶體？

強激光束

自從 60 年前發明激光以來，研究人員一直在努力創造更強的脈沖。從高精度去除材料到外科手術中的超快脈沖，再到軍事領域的火箭瞄準，強光脈沖在工業領域有很多意義，但它也能揭示宇宙的一些基本問題。激光物理學的圣杯是能夠打破時空真空的強激光束。迄今為止，我們距離實現真空衰減仍有幾個數量級的差距。 然而，到了 20 世紀 80 年代中期，科學家們面臨著能量密度約為 1 太瓦的重大挑戰。對于短脈沖來說，要想在不破壞放大材料的情況下提高光強度，實際上已不再可能。

通過啁啾脈沖放大（CPA）克服飽和以提高脈沖能量

克服這種能量密度限制的一種方法是隨著峰值功率的增加而相應增大激光放大器的孔徑，但所需的孔徑過大是不切實際的，激光系統的效率也會很低，因為它們無法在接近飽和通量時工作，而且還會出現橫向寄生激光等問題。1985 年 12 月，物理學家唐娜-斯特里克蘭德（Donna Strickland）和她的導師熱拉爾-穆魯（Gérard Mourou）從有關雷達的科普文章中得到啟發，終于找到了解決這一難題的簡單而優雅的突破口。他們的發明簡單明了--采用一個短激光脈沖，將其在時間上拉伸、放大并再次擠壓在一起。當脈沖在時間上被拉伸時，其峰值功率會大大降低，因此可以在不損壞放大器的情況下對其進行大幅放大。然后，脈沖在時間上被壓縮，這意味著在極小的空間范圍內，更多的光被擠壓在一起--脈沖的強度隨之急劇增加。

斯特里克蘭德和穆魯花了數年時間才成功地將一切結合起來，但他們克服了技術上的困難。1985 年，斯特里克蘭德和穆魯首次證明，他們的優雅構想在實踐中也是可行的。他們發明的啁啾脈沖放大器（CPA）將強激光器的能量閾值提高到了 1PW的能量密度。

將 LBO 光參量放大器與 CPA (OPCPA)相結合

后來，通過將 CPA 與光參量放大器（OPA）相結合，即 OPCPA，功率進一步提升了一個數量級。 分級 OPCPA 系統之所以能夠提供數兆瓦的功率，是因為采用了額外的非線性晶體。 最受歡迎的非線性晶體是 LiB3O5(LBO)，它可以產生高效率、寬帶的二次和三次諧波，并支持高效率的 OPCPA。最近，它在更大尺寸生長方面的發展使高能量放大成為可能。這些因素表明，通過將 CPA 和 LBO 放大器結合起來，可以產生高峰值功率激光系統。這種近乎瞬時的非線性過程將泵浦脈沖的部分能量轉移到種子脈沖上，從而產生三個輸出：一個更強的種子脈沖或信號脈沖；一個減弱的泵浦脈沖；以及一個在泵浦和種子脈沖之間的差頻上被削弱的惰性脈沖。一個具有 CPA 前端和 OPCPA 末級放大器的混合系統是制造緊湊型 10 PW 激光器的潛在設計。得益于 LBO 晶體，OPCPA 已從最初的小規模演示迅速發展到研究設施和大學中的數兆瓦和千萬瓦級系統，以及眾多低功率科學和工業應用。

用于 OPCPA 的解決方案

考慮到行業需求，我們設計出性能最佳的OPCPA晶體，提供大孔徑LBO。晶體的卓越表面質量和光學均勻性有助于實現最低的體吸收率，這對于高功率激光器的非線性轉換具有顯著優勢。此外，我們提供的LBO晶體無與倫比的表面吸收率確保了最高的激光損傷閾值，使其成為高功率激光應用的理想選擇。