國(guó)產(chǎn)大尺寸鈦寶石晶體助力世界最強(qiáng)脈沖激光放大輸出

杭 寅，徐 民，張連翰，何明珠，蔡 雙，李善明，李曉清，梁曉燕，冷雨欣，李儒新，潘世烈，張方方

(1.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；3.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011)

鈦寶石激光晶體，全稱(chēng)為摻鈦藍(lán)寶石激光晶體，化學(xué)式Ti∶Al2O3。鈦寶石晶體具有以下特點(diǎn)：優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能，如高硬度(莫氏9級(jí))、高熱導(dǎo)(～20 W/mK)、高抗熱沖擊品質(zhì)因子和耐腐蝕等；寬帶吸收(400～600 nm)和寬帶發(fā)射(650～950 nm)特性?；谏鲜鎏匦?，鈦寶石被廣泛應(yīng)用于調(diào)諧激光、超快激光和超強(qiáng)超短激光中。超強(qiáng)(拍瓦/PW, 1015W)超短(飛秒/fs, 10-15s)激光在激光高能粒子加速器、激光聚變、材料科學(xué)、核物理、等離子體物理、天體物理、高能物理、激光質(zhì)子刀治療癌癥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。大尺寸鈦寶石激光晶體是超強(qiáng)超短激光裝置的關(guān)鍵核心材料[1-2]。

要實(shí)現(xiàn)十拍瓦的高功率脈沖激光輸出，鈦寶石晶體口徑需達(dá)到200 mm以上。目前國(guó)際上制備優(yōu)質(zhì)大口徑鈦寶石晶體的主流技術(shù)是熱交換法晶體生長(zhǎng)技術(shù)[3-4]。本文自主研發(fā)成功熱交換法生長(zhǎng)大尺寸鈦寶石晶體設(shè)備(圖1)，通過(guò)優(yōu)化溫場(chǎng)設(shè)計(jì)，調(diào)控激活離子摻雜濃度，完善晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù)(熱交換氣體流量、固液界面推移速率等)，生長(zhǎng)出高完整性的鈦寶石晶體毛坯。晶體毛坯經(jīng)過(guò)切割、滾圓、研磨、拋光加工，獲得了全球最大尺寸(φ235 mm×72 mm)的鈦寶石晶體元件(圖2)。利用Zygo激光干涉儀和應(yīng)力雙折射儀表征了鈦寶石晶體的光學(xué)均勻性和應(yīng)力雙折射，結(jié)果顯示：在180 mm口徑范圍內(nèi)晶體光學(xué)均勻性為5.52×10-5(圖3)，應(yīng)力雙折射為5.0 nm/cm。

φ235 mm口徑的大尺寸鈦寶石晶體元件經(jīng)鍍膜后，被應(yīng)用于上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)。鈦寶石主放大器輸出的納秒級(jí)啁啾脈沖最高能量達(dá)到339 J(圖4)[5]，激光脈沖寬度經(jīng)過(guò)脈沖壓縮器壓縮后達(dá)到21 fs，從放大器到壓縮器輸出的總效率64%，壓縮后激光脈沖的最高峰值功率達(dá)10.3 PW，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖1 自主研發(fā)的熱交換法生長(zhǎng)大尺寸鈦寶石晶體設(shè)備Fig.1 Self-developed HEM equipment for growing large sized Ti∶Al2O3 crystal

圖2 大尺寸鈦寶石晶體元件(φ235 mm×72 mm)Fig.2 Large sized Ti∶Al2O3 laser crystal with dimension of φ235 mm×72 mm

圖3 大尺寸鈦寶石晶體的光學(xué)均勻性Fig.3 Optical homogeneity of the large sized Ti∶Al2O3 laser crystal

圖4 鈦寶石放大器放大輸出能量與泵浦-信號(hào)轉(zhuǎn)換效率曲線Fig.4 Amplified output energy and pump-to-signal conversion efficiency with respect to the experimental pump energy