PHILEX拍瓦激光超紧凑在线光束校正技术

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导读

亥姆霍兹重离子研究中心（德语: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH），位于德国黑森州达姆施塔特，是由联邦政府与州政府共同资助的重离子研究中心。亥姆霍兹重离子研究中心成立于1969年，当时称作重离子研究协会（Gesellschaft für Schwerionenforschung)，简称GSI，是德国亥姆霍兹联合会的主要成员单位之一 。该研究所主要有UNILAC直线加速器、SIS 18重离子回旋加速器、PHILEX超强激光等装置，研究领域涉及等离子体物理、原子物理、核结构及核反应，生物物理等多个物理学分支，在重离子物理研究领域有举足轻重的地位。

图1 GSI的PHILEX激光系统

（图片来源于网络:GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, J.Hosan）

前言

所谓工欲善其事必先利其器，光束质量直接影响激光等离子体相互作用的实验结果。控制光束的时间与空间参数，以期获得尽可能高的光强是大型激光装置追求的目标之一。自适应光学通过改变近场的光优化波前相位，末端放置波前传感器作为反馈形成闭环用于优化光束质量。一般来说，通过啁啾脉冲放大技术的激光，其波前控制分为两个部分。一个部分在压缩腔前避免时空耦合影响压缩，另一个部分在压缩腔后焦点附近放置波前传感器、可以精确估计到靶光强。然而随着光斑尺寸越来越大，精确的时空在线表征变得越来越困难。

在High Power Laser Science and Engineering 2022年第3期的文章中，德国GSI的J. B. Ohland等研究人员通过自适应光学的方法，在有限的实验空间内搭建了一套超紧凑的表征系统用于the Petawatt High-Energy Laser for heavy Ione Xperiments（PHILEX）激光装置束斑的在线校正。经过优化后激光光强提高2倍，稳定在1×10²¹ W/cm²以上。

J. B. Ohland, U. Eisenbarth, B. Zielbauer, Y. Zobus, D. Posor, J. Hornung, D. Reemts, V. Bagnoud. Ultra-compact post-compressor on-shot wavefront measurement for beam correction at PHELIX[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(3): 03000e18 

PHILEX在线束斑校正系统

受限于实验空间，PHILEX系统的表征平台仅有约2 m²,却需要满足以下要求：

1）带宽：PHILEX激光器带宽约为5 nm，中心波长为1053 nm，整个光路系统需要满足消色差要求。

2）束：全尺寸光斑约为280 mm，需要对其进行完全表征其光斑尺寸不应超过5 mm，也就是说缩放倍数至少为56。

3）变形镜成像：为使得自适应光学正常工作，可变形镜表面需要成像至波前传感器上。

4）高动态范围：PHILEX激光器工作频率为90 min，检测需要和打靶同时进行。所以检测系统需要能良好地处理5×10⁵的数值动态范围。

5）合适的透射波前传感器：表征系统无法提供绝对波前测量，需要进行校准。

图2 表征系统光路图

基于以上要求，表征PHILEX系统的光路图如图2所示。最后一个转角镜的漏光从左侧进入，计算B积分（度量激光的非线性相移大小）后得到平均值为0.261 rad，峰值为0.555 rad，在可接受的范围内。之后通过一个8：1的望远镜系统对光束进行初步缩束，再经过一个马赫-曾德尔干涉仪和一个开关选择光束路径，此时光束的B积分效应已经忽略不计，故可以传出真空区域进入腔外。在腔外经过两个电动反射式中性滤片之后能量进一步衰减，之后再通过缩放因子为3.3的开普勒式望远镜系统进一步缩束，再经过一个连续变化的衰减片以及一个半波片后，由一个无色差的开普勒望远镜系统将光束缩放2.4倍从而在相机箱里中成像。

光路的准直采用参考光束回传的方法。在焦点附近放置刻蚀的钨针尖代替焦点位置，在两个方向的显微镜均可以对其进行成像从而确定焦面。焦点附近的焦斑优化需要进行校准，所以研究者搭建了一套专门用于波前传感器校正的光路——激光系统绝对波前传感校正器（Calibrator for Laser systems with Absolute Wavefront Sensing, CLAWS），如图3所示。这套装置直接放置在靶腔内，通过一个小孔进行原位自我校正。将小孔放置在焦面上，会建立起理想的球面波作为波前传感器的参考，如图4所示。整个装置紧凑便携，校正过程结束之后，可以很方便地拆除。

图3 CLAWS波前传感器校正光路图

图4 CLAWS波前传感器原理图

通过CLAWS优化之后焦斑形状对比如图5所示。对于PHILEX的典型参数（100 J, 500 fs），优化之后能够保证峰值光强高于1×10²¹ W/cm²，光强提高大约2倍，优化后的波前畸变可以从之前的0.8倍波长下降至0.15倍左右。需要指出的是，目前CLAWS只能在大气下工作，因此会在实际打靶抽真空以后带来一定的不确定性。

图5 优化前后光斑对比图

经过一系列优化，研究者进行了一轮实验来验证实际的优化效果。实验中通过波前传感器和自适应光学闭环控制到靶光强，保持激光能量不变，改变靶材的厚度来研究优化效果。一般来说，更高的光强将会有利于激光钻孔过程，所以根据不同的靶材厚度以及激光光强预期有一个透光率。测量结果如图6所示，靶材厚度变化范围从55 nm至3186 nm，实验结果表明激光光强和透过率有明显的相关关系，对于更薄的靶和更高的光强对应更高的透过率，特别是在300 nm附近，优化过后的铜离轴抛物面镜（off-axis parabolic mirrors, OAP）的透过率从30%提高到65%，换用玻璃OAP进一步提高到85%，这说明波前传感器和自适应光学闭环的稳健性。

图6 不同厚度靶材及不同光强参数下激光透过率

总结与展望

总结来看，针对PHILEX激光装置，目前实现了新颖而紧凑的压缩腔后的在线表征系统，其关键部分在于一个含小F数（焦距与通光口径之比）的OAP组成的望远镜系统，并且搭建了以球面波作为参考的波前校正系统CLAWS用于优化光斑，实验结果表明在相同靶厚情况下激光透过率有明显提高，与计算得到的1×10²¹ W/cm²结果吻合。在原理性验证阶段取得较好结果之后，后续针对抽真空引起的不确定性会进一步优化，预期优化结果会加载到PHILEX日常运行中。

科学编辑 | 秦川

编辑 | 周琦雅

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