基于雙通預(yù)脈沖清潔及腔內(nèi)頻譜濾波的高對(duì)比度飛秒激光再生放大器

李鵬飛，趙遵成，魯巍，洪德昇，陳培榮，張傳標(biāo)，田曉光，劉暢，陳聰

（1 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）（2 河南大學(xué)河南省鋁鎂銅基原位復(fù)合金屬材料工程實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004）（3 清華大學(xué) 工程物理系，北京 100000）（4 北京量子信息科學(xué)研究院，北京 100000）（5 河南省啟封新源光電科技有限公司，河南 開(kāi)封 475000）

0 引言

啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped-Pulse Amplification，CPA）［1］的提出，極大地提高了激光器的峰值功率，從而推動(dòng)了激光驅(qū)動(dòng)的X射線［2］、慣性約束核聚變［3］、激光離子加速器［4］等極端物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。基于再生放大的CPA系統(tǒng)由于其本身產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）和偏振元件消光比不夠等原因，放大后的激光脈沖不可避免地存在背景噪聲。這些噪聲源主要包括激光前沿的預(yù)脈沖和ASE等［5］。激光前沿的預(yù)脈沖、ASE以及其它背景噪聲與主脈沖之間的強(qiáng)度之比就是激光脈沖的對(duì)比度［6-7］。在高峰值功率激光脈沖與材料相互作用的實(shí)驗(yàn)中，激光脈沖的聚焦峰值功率密度往往大于1017W/cm2，而再生放大器產(chǎn)生的激光脈沖，對(duì)比度一般只有10-6，因此預(yù)脈沖或ASE的峰值功率密度達(dá)到了1011W/cm2。這樣的激光強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了多數(shù)材料的電離閾值，會(huì)預(yù)先電離靶材形成等離子體，從而影響主脈沖與靶材間的相互作用［8-9］，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理。因此在強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)中，提升激光脈沖的對(duì)比度十分重要。

基于CPA技術(shù)設(shè)計(jì)的高峰值功率激光器，往往是再生放大器限制了激光脈沖的對(duì)比度。近年來(lái)為了抑制放大光的背景噪聲，人們提出了很多方法。中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的許毅等一方面通過(guò)提升注入種子光的能量來(lái)抑制腔內(nèi)ASE的產(chǎn)生［10］，另一方面通過(guò)兩套普克爾盒和兩個(gè)偏振片將激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)［11］。韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院的KIM M等通過(guò)匹配種子光和ASE的光譜來(lái)提高輸出激光脈沖的ASE對(duì)比度［12］。日本關(guān)西光子科學(xué)研究所的KIRIYAMA H等通過(guò)飽和吸收體來(lái)提升放大光的對(duì)比度，相比傳統(tǒng)的CPA系統(tǒng)，放大光的ASE對(duì)比度提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)［13］。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的JULLIEN A等使用BaF2晶體設(shè)計(jì)的交叉偏振波技術(shù)得到高達(dá)10-10的對(duì)比度激光脈沖輸出［14］。德國(guó)耶拿市弗里德里?！は沾髮W(xué)的RODEL C等通過(guò)等離子鏡技術(shù)將放大光的對(duì)比度提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)［15］。

在高功率激光脈沖與材料相互作用的實(shí)驗(yàn)中，往往要求激光脈沖既要有高的ASE對(duì)比度，也要有高的預(yù)脈沖對(duì)比度。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，本文提出了一個(gè)新的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面通過(guò)在設(shè)計(jì)的環(huán)形腔內(nèi)加入頻譜整形濾波片（Spectral Shaping Filter，SSF）抑制環(huán)形腔內(nèi)ASE被放大，從而提升再生放大器輸出激光脈沖的ASE對(duì)比度；另一方面在放大器的出光口處設(shè)計(jì)了普克爾盒的雙通預(yù)脈沖清潔裝置，以提高激光的預(yù)脈沖對(duì)比度。

1 高對(duì)比度再生放大器的設(shè)計(jì)

重復(fù)頻率為100 Hz的高對(duì)比度飛秒鈦寶石再生放大器的設(shè)計(jì)思路為：振蕩器產(chǎn)生的納焦量級(jí)飛秒激光脈沖首先進(jìn)入展寬器，在時(shí)域上展寬到幾百皮秒后，通過(guò)放大器將展寬后的激光脈沖能量放大至毫焦量級(jí)，再經(jīng)由雙通預(yù)脈沖清潔裝置提高放大光的預(yù)脈沖對(duì)比度，最后進(jìn)入脈沖壓縮器將激光脈沖寬度壓縮回飛秒量級(jí)［16］。

圖1再生放大器光路示意圖Fig.1 Optical path design of regenerative amplifier

圖1 是高對(duì)比度的飛秒鈦寶石再生放大器的光路示意圖，其中λ/2為二分之一波片，M1～M4為曲面鏡，M5～M11為750～850 nm 45°全反的寬帶平面反射鏡，M12、M13為750～850 nm 0°～45°全反的寬帶平面反射鏡，M14、M15為750～850 nm 0°全反的寬帶平面反射鏡，L1為凹透鏡，L2為凸透鏡，L3為平凸透鏡，PD為高速光電探測(cè)器，CG1、CG2為反射式光柵，P1為750～850 nm偏振分光棱鏡，P2、P3為格蘭激光棱鏡，Ti∶Sa為摻鈦藍(lán)寶石晶體，PC1、PC2為普克爾盒。方案中采用河南省啟封新源光電科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為Nano-15的振蕩器，該振蕩器可提供單脈沖能量為2.25 nJ、光譜的半高寬（Full Width Half Maimum，F(xiàn)WHM）為111 nm的種子光。振蕩器輸出激光脈沖的光譜使用Ocean Optics公司生產(chǎn)的型號(hào)為USB4000的光譜儀測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。種子光經(jīng)光隔離器后進(jìn)入?ffner型展寬器［17］，該展寬器由一面凹面鏡、一面凸面鏡、一面高反鏡和一面光柵組成。在相同尺寸的條件下，相對(duì)于Martinez展寬器［18］，其不僅有低的像差，還能提供更大的色散量。?ffner型展寬器可將種子光在時(shí)域上展寬到400 ps且能量的輸出效率達(dá)到50%以上。放大器采用的環(huán)形腔可以保證激光脈沖在腔內(nèi)單向傳輸，阻止放大器腔內(nèi)的ASE反向進(jìn)入振蕩器，避免振蕩器鎖模被破壞。放大器諧振腔內(nèi)ASE強(qiáng)度公式為［19-20］

圖2 振蕩器輸出光譜曲線Fig.2 Output spectrum curve of oscillator

式中，IASE為腔內(nèi)ASE的強(qiáng)度，Ω為空間立體角，ω為腰斑半徑，L為腔長(zhǎng)，G0為小信號(hào)增益系數(shù)。由式（1）～（3）可知，諧振腔內(nèi)ASE的強(qiáng)度與放大器的腔長(zhǎng)成反比。在相同尺寸的條件下，環(huán)形腔相比于線性腔不僅腔長(zhǎng)更長(zhǎng)，而且單向傳播抑制了環(huán)形腔內(nèi)的ASE被放大，獲得了高對(duì)比度的激光脈沖［21-22］。放大器采用環(huán)形腔的腔長(zhǎng)為2.2 m，可以放置在長(zhǎng)80 cm、寬30 cm、高25 cm的腔殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

本光學(xué)系統(tǒng)中，使用Alpine Research Optics公司生產(chǎn)的SSF對(duì)再生放大器的放大光譜進(jìn)行整形，獲得需要光譜的放大光，其透射曲線如圖3所示?；驹硎峭ㄟ^(guò)改變不同波長(zhǎng)范圍光的偏振方向，搭配相應(yīng)偏振片來(lái)控制特定波長(zhǎng)范圍光的透射率。當(dāng)寬光譜的激光脈沖通過(guò)SSF時(shí)，不同波長(zhǎng)范圍光的透射率T與晶體厚度t的關(guān)系為［23］

圖3 SSF的透射曲線［24］Fig.3 Transmission curve of SSF［24］

式中，?是SSF的光軸與入射面的夾角，θ是SSF的表面與入射面的夾角，no和ne是波長(zhǎng)λ的o光和e光在石英中的折射率。由式（4）可知，不同波長(zhǎng)分量的光通過(guò)SSF時(shí)，其透射率會(huì)隨著晶體的厚度和激光進(jìn)入SSF入射角度而變化，進(jìn)而改變通過(guò)SSF不同波長(zhǎng)分量光的強(qiáng)度，獲得需要的光譜形狀。

搭建再生放大器時(shí)，首先依據(jù)需求選擇合適厚度的SSF，然后通過(guò)控制激光進(jìn)入SSF的入射角度來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)SSF不同波長(zhǎng)范圍光的強(qiáng)度，由此改變不同波長(zhǎng)范圍光通過(guò)SSF的實(shí)際透射率。使用SSF對(duì)放大光譜整形具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一方面，SSF將放大光譜中心波長(zhǎng)附近的光強(qiáng)變?nèi)?，利用放大過(guò)程的增益作用，抑制放大光譜的增益窄化，使放大光譜的半高寬變寬，獲得更短脈寬的放大光，提高激光脈沖的峰值功率；另一方面通過(guò)調(diào)整激光進(jìn)入SSF的入射角度，改變放大光中不同波長(zhǎng)范圍光的強(qiáng)度，使放大光中長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍的光強(qiáng)變?nèi)?，抑制放大光的光譜紅移，獲得所需光譜寬度和形狀的放大光。

如圖4所示，光學(xué)系統(tǒng)放大器的出光口處設(shè)計(jì)了普克爾盒的雙通預(yù)脈沖清潔裝置，該裝置由一套普克爾盒PC2、一片0°全反的寬帶平面反射鏡M14和兩塊消光比為105∶1的格蘭激光棱鏡P2、P3組成。因?yàn)榉糯蠊馔ㄟ^(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置的時(shí)間總和小于1 ns，而普克爾盒半波電壓持續(xù)時(shí)間約為10 ns，所以通過(guò)調(diào)節(jié)普克爾盒高壓與激光脈沖的時(shí)間差，可以在普克爾盒的高壓時(shí)間窗口內(nèi)完成兩次激光脈沖清潔。具體過(guò)程為：假設(shè)放大光是S偏振光，經(jīng)過(guò)格蘭激光棱鏡P2后，第一次通過(guò)普克爾盒PC2，放大光中主脈沖將要通過(guò)普克爾盒PC2時(shí)加高壓，此時(shí)主脈沖的偏振方向偏轉(zhuǎn)90°（P偏振光），而預(yù)脈沖的偏振方向不改變（S偏振光）。通過(guò)格蘭激光棱鏡P3后，大部分預(yù)脈沖被反射出清潔裝置。由于普克爾盒和格蘭激光棱鏡消光比的限制，小部分預(yù)脈沖會(huì)和主脈沖一起通過(guò)格蘭激光棱鏡P3，這樣就將激光脈沖中較大部分預(yù)脈沖與主脈沖分開(kāi)，完成激光脈沖的第一次脈沖清潔。隨后經(jīng)過(guò)反射鏡M14反射，清潔后的激光脈沖通過(guò)格蘭激光棱鏡P3后，第二次通過(guò)普克爾盒PC2，此時(shí)普克爾盒的高壓并沒(méi)有消失，放大光中主脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°（主脈沖是S偏振光，預(yù)脈沖是P偏振光）。通過(guò)格蘭激光棱鏡P2后，大部分預(yù)脈沖被其反射出清潔裝置，完成了第二次脈沖清潔。在同一普克爾盒上進(jìn)行兩次激光脈沖清潔可大大提高“清潔”效率并節(jié)約了時(shí)間濾波器的成本和空間。

圖4 雙通預(yù)脈沖清潔裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of dual-channel pulse cleaning device

實(shí)驗(yàn)可知，因?yàn)槠湛藸柡泻透裉m激光棱鏡消光比的限制，單通預(yù)脈沖清潔后，預(yù)脈沖對(duì)比度提升約2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以該雙通預(yù)脈沖清潔裝置可將激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度提升5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。

理論上，當(dāng)格蘭激光棱鏡和普克爾盒中磷酸二氘鉀（KD2PO4，DKDP）晶體體積足夠大時(shí)，通過(guò)合理的光路設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)普克爾盒施加高壓的時(shí)間，可在該雙通預(yù)脈沖清潔裝置中完成多次脈沖清潔。但是這樣的清潔裝置成本過(guò)高，體積較大，操作復(fù)雜，有違設(shè)計(jì)初衷。因此，本文設(shè)計(jì)了普克爾盒的雙通預(yù)脈沖清潔裝置，相較于傳統(tǒng)的時(shí)間濾波器，該方案不僅節(jié)約成本，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，有利于集成到大型激光系統(tǒng)內(nèi)。

本光學(xué)系統(tǒng)中脈寬壓縮器主要由一對(duì)平行放置的反射式全息光柵組成。再生放大器輸出的脈沖經(jīng)由一組擴(kuò)束系統(tǒng)后將放大光的光束直徑擴(kuò)束到11 mm后進(jìn)入Treacy結(jié)構(gòu)的反射式光柵對(duì)壓縮器，對(duì)放大光進(jìn)行脈寬壓縮。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙通預(yù)脈沖清潔裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將Thorlabs公司的型號(hào)為DET-10A的高速光電探測(cè)器PD置于腔鏡M3后，通過(guò)M3的漏光來(lái)監(jiān)測(cè)激光脈沖在環(huán)形腔內(nèi)的放大過(guò)程。為了克服放大光譜的增益窄化和光譜紅移問(wèn)題，將特殊鍍膜的SSF放置在環(huán)形腔內(nèi)。

該再生放大器中抽運(yùn)源采用的是一臺(tái)LD泵浦激光器，它是腔外倍頻532 nm的100 Hz固體激光器。單脈沖能量為43 mJ時(shí)，8 h的能量穩(wěn)定度為0.51%（標(biāo)準(zhǔn)差或者均方差與平均值之比），如圖5（a）所示。在43 mJ抽運(yùn)能量下，種子光在環(huán)形腔中經(jīng)歷19次放大后從環(huán)形腔中倒空，獲得單脈沖能量7 mJ的放大光，放大器的輸出效率為16.2%。在理想條件下，激光脈沖光譜的半高寬τp和脈沖寬度Δν成反比［25］。為了獲得理論上的脈寬極限，通過(guò)調(diào)整環(huán)形腔內(nèi)入射SSF激光的角度，改變SSF對(duì)環(huán)形腔內(nèi)不同波長(zhǎng)放大光的透射率，獲得較寬光譜的激光脈沖，最終獲得光譜半高寬為45 nm的激光脈沖，如圖7（a）所示。根據(jù)傅里葉變換，理論上脈寬極限為31.4 fs。測(cè)得放大光通過(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置后的單脈沖能量為6 mJ。在潔凈間溫度為20±1℃，濕度為40%左右的條件下，測(cè)得8 h能量穩(wěn)定度為0.38%，如圖5（b）所示。

圖5 腔內(nèi)加SSF時(shí)，抽運(yùn)脈沖能量穩(wěn)定度和雙通預(yù)脈沖清潔裝置后放大光的能量穩(wěn)定度Fig.5 When SSF is added to the cavity，the energy stability of the pump pulse and the energy stability of the amplified light after passing through the dual-channel pre-pulse cleaning device

使用高速光電探測(cè)器和普源精電科技股份有限公司的DS4034型示波器測(cè)量激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度。將主脈沖的強(qiáng)度歸一化后，得到清潔前后預(yù)脈沖的強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖6所示。以-7.3 ns處的預(yù)脈沖為例，在雙通預(yù)脈沖清潔裝置中，放大后的激光脈沖經(jīng)過(guò)第一次脈沖清潔后，其預(yù)脈沖對(duì)比度提升3.7×102倍。通過(guò)M14反射后，經(jīng)歷第二次脈沖清潔后，激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度提升了1.75×103倍。最終放大器輸出激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度從4.3×10-4提高到6.6×10-10，提升了5個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 通過(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置前后的預(yù)脈沖強(qiáng)度曲線Fig.6 Pre-pulse intensity curve before and after passing through the dual-channel pre-pulse cleaning device

將清潔后的激光脈沖導(dǎo)入光柵對(duì)壓縮器，壓縮后的單脈沖能量為4.4 mJ，壓縮器效率為74%。使用FASTLITE公司生產(chǎn)的WIZZLER測(cè)量其脈沖寬度和光譜相位曲線。微調(diào)光柵對(duì)的角度和距離，得到最窄脈寬為32.5 fs，如圖7（b）所示。

圖7 腔內(nèi)加SSF時(shí)，最終放大光譜曲線和光譜相位以及壓縮后的脈沖寬度測(cè)量的自相關(guān)曲線Fig.7 When SSF is added to the cavity，the final spectrum curve and spectrum phase of amplification and interference autocorrelation trace of the pulses after the compressor

采用Amplitude Technologies公司的型號(hào)為SEQUOIA的三階自相關(guān)儀測(cè)量腔內(nèi)加SSF時(shí)再生放大器輸出激光的ASE對(duì)比度。如圖8所示，激光主脈沖前400 ps的ASE對(duì)比度為5.0×10-9。三階自相關(guān)儀測(cè)得軌跡中-46.1 ps、-24.3 ps和-12.8 ps的位置出現(xiàn)了3個(gè)脈沖，它們與46.1 ps、24.3 ps和12.8 ps處的脈沖相對(duì)應(yīng)且強(qiáng)度較小。因?yàn)槿A自相關(guān)儀是利用二次諧波與主脈沖間的相互作用測(cè)得的對(duì)比度，而且二次諧波的對(duì)比度本身高于主脈沖，所以三階自相關(guān)儀測(cè)得軌跡中，當(dāng)前脈沖與后脈沖時(shí)間對(duì)應(yīng)且后脈沖強(qiáng)度大于前脈沖時(shí)，可以判斷測(cè)得的前脈沖是假信號(hào)［26］。腔內(nèi)使用的SSF厚度為(2±0.25)mm，而46.1 ps、24.3 ps和12.8 ps激光傳播距離分別約為13.83 mm、7.29 mm、3.84 mm，顯然，它們都約等于SSF厚度的偶數(shù)倍。由此可知，主脈沖前的3個(gè)脈沖是主脈沖在SSF中多次反射產(chǎn)生的后脈沖在三階自相關(guān)儀中形成的假信號(hào)。除主脈沖外，其余脈沖都是后脈沖。它們并不影響激光脈沖的對(duì)比度，這里不再介紹。

圖8 SSF置于放大器腔內(nèi)時(shí)三階自相關(guān)儀的軌跡Fig.8 When the SSF is placed in the amplifier cavity，the track of the third-order autocorrelation

2.2 放大器腔內(nèi)、腔外放置SSF對(duì)ASE對(duì)比度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于放大過(guò)程中寬光譜放大光的增益窄化和光譜紅移，再生放大器需使用SSF對(duì)放大光譜整形，為此，研究SSF置于放大器腔內(nèi)和展寬器后放大器前（腔外）對(duì)放大光ASE對(duì)比度的影響。先后將一片SSF放置在放大器腔內(nèi)和腔外，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，如圖1所示（實(shí)線SSF是腔外位置，虛線SSF是腔內(nèi)位置）。2.1節(jié)中已經(jīng)完成了SSF置于放大器環(huán)形腔內(nèi)的實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，可以獲得單脈沖能量為4.4 mJ、光譜半高寬為45 nm、脈寬為32.5 fs、主脈沖前400 ps的ASE對(duì)比度為5.0×10-9的激光脈沖。針對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)形腔放大器，在相同條件下，研究將SSF置于環(huán)形腔外對(duì)壓縮后激光脈沖ASE對(duì)比度的影響，進(jìn)一步地比較SSF置于環(huán)形腔內(nèi)外的異同。

飛秒激光放大過(guò)程不可避免地產(chǎn)生ASE，因?yàn)榉糯蠊獾腁SE對(duì)比度僅與放大器的腔型設(shè)計(jì)和激光器中光學(xué)元件的精密度有關(guān)［27-28］，故而，在其它條件不變的情況下，泵浦光能量不同而引起放大光能量的變化，并不影響放大光的ASE對(duì)比度。因此，實(shí)驗(yàn)中將2.1節(jié)環(huán)形腔內(nèi)的SSF取出，放置在展寬器后面，放大器前面。重新調(diào)試放大器、雙通預(yù)脈沖清潔裝置和壓縮器，使種子光在放大器的環(huán)形腔內(nèi)經(jīng)歷相同的放大次數(shù)后輸出放大光，隨后通過(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置進(jìn)行脈沖清潔，最后在光柵對(duì)壓縮器中壓縮。

激光器在抽運(yùn)能量40 mJ的條件下，經(jīng)歷19次放大后，獲得單脈沖能量為14.7 mJ的放大光，放大器的輸出效率為36.7%。調(diào)節(jié)環(huán)形腔外SSF的角度，獲得光譜寬度和形狀與2.1節(jié)相似，光譜半高寬為47 nm的放大光，如圖9（a）所示。根據(jù)傅里葉變換，理論上脈寬極限為30.7 fs。放大光通過(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置后輸出單脈沖能量為12.5 mJ的激光脈沖，在潔凈間溫度為20±1℃，濕度為40%左右的條件下，測(cè)得8 h能量穩(wěn)定度為0.51%，如圖10所示。清潔后的激光脈沖經(jīng)壓縮器壓縮后，使用WIZZLER設(shè)備測(cè)得激光脈沖最窄脈寬為32.2 fs，同時(shí)測(cè)量放大光的光譜相位曲線，如圖9所示。壓縮后激光的單脈沖能量為9.3 mJ。三階自相關(guān)儀測(cè)得在環(huán)形腔外加SSF時(shí)，放大光主脈沖前400 ps的ASE對(duì)比度為5.0×10-8。

圖9 腔外加SSF時(shí)，最終放大光譜曲線和光譜相位以及壓縮后的脈沖寬度測(cè)量的自相關(guān)曲線Fig.9 When SSF is applied outside the cavity，the final spectrum curve and spectrum phase of amplification and interference autocorrelation trace of the pulses after the compressor

圖10 腔外加SSF時(shí)通過(guò)雙通預(yù)脈沖清潔裝置后放大光的能量穩(wěn)定度Fig.10 Pulse energy stability of amplified light after passing through dual-channel pre-pulse cleaning device when SSF is appliedoutside the cavity

如圖11所示，腔內(nèi)加SSF時(shí)，激光主脈沖前400 ps的ASE對(duì)比度為5.0×10-9，環(huán)形腔外加SSF時(shí)，激光主脈沖前400 ps的ASE對(duì)比度為5.0×10-8。分析可知，相比腔外加SSF，腔內(nèi)加SSF時(shí)輸出的激光脈沖的ASE對(duì)比度提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖11 SSF置于放大器腔內(nèi)和腔外三階自相關(guān)儀的不同軌跡Fig.11 When the SSF is placed inside and outside the amplifier cavity，the trajectory of third-order autocorrelation

在環(huán)形腔內(nèi)放置SSF時(shí)，使用光譜儀測(cè)得激光通過(guò)SSF前后的光譜，將它們歸一化后相除得到SSF的實(shí)際透射曲線（實(shí)線），然后使用光譜儀測(cè)得放大器腔內(nèi)的ASE光譜曲線（虛線），這一結(jié)果可以從圖12看到。由圖可知，SSF的實(shí)際透射率最低的位置恰好是環(huán)形腔中ASE光譜強(qiáng)度最強(qiáng)的位置。因此，環(huán)形腔內(nèi)加SSF可以有效地抑制腔內(nèi)ASE被放大，提升放大光的ASE對(duì)比度。反之，不能實(shí)現(xiàn)這樣的效果，即腔外加SSF不能抑制放大器腔內(nèi)的ASE被放大。此外，當(dāng)腔外前加SSF時(shí)，種子光能量?jī)H被SSF衰減一次，而環(huán)形腔內(nèi)加SSF時(shí)，種子光被SSF衰減的次數(shù)與其在環(huán)形腔中的放大次數(shù)相同（19次）。因此，腔外加SSF時(shí)用于放大的種子光能量是大于環(huán)形腔內(nèi)加SSF的。中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的許毅等已經(jīng)證明了放大光的ASE對(duì)比度會(huì)隨著種子光能量的增加而增加［11］。因此在不考慮其他條件情況下，腔外加SSF時(shí)輸出放大光的ASE對(duì)比度應(yīng)優(yōu)于腔內(nèi)加SSF時(shí)，但是這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，更能說(shuō)明腔內(nèi)加SSF可以有效抑制腔內(nèi)ASE被放大，提升放大光的ASE對(duì)比度。

圖12 SSF的實(shí)際透射曲線以及環(huán)形腔內(nèi)不加SSF時(shí)腔內(nèi)ASE的光譜Fig.12 The actual transmission curve of the SSF and the spectrum of the ASE in the ring cavity without SSF

對(duì)于設(shè)計(jì)的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)腔內(nèi)加SSF時(shí)，放大器的輸出效率為16.2%，放大光8 h的能量穩(wěn)定度為0.38%。而腔外加SSF時(shí)，放大器的輸出效率為36.7%，放大光8 h的能量穩(wěn)定度為0.51%。相比腔外加SSF，腔內(nèi)加SSF時(shí)放大器的輸出效率雖然降低了20.5%，但是放大光不僅在能量穩(wěn)定度方面增加了0.13%，而且在ASE對(duì)比度上更是提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。所以將SSF置于環(huán)形腔內(nèi)，可以獲得性能更優(yōu)的放大光。

3 結(jié)論

本文報(bào)道了一種采用環(huán)形腔設(shè)計(jì)的高對(duì)比度再生放大器系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸出脈寬為32.5 fs、單脈沖能量為4.4 mJ、重復(fù)頻率為100 Hz、預(yù)脈沖對(duì)比度為6.6×10-10、主脈沖前400 ps處的ASE對(duì)比度為5.0×10-9的脈沖激光。它同時(shí)提升了再生放大器輸出激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度和ASE對(duì)比度。具體地，一方面通過(guò)一種新型雙通預(yù)脈沖清潔裝置，使用單一普克爾盒，將激光脈沖的預(yù)脈沖對(duì)比度提升了5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。另一方面通過(guò)在設(shè)計(jì)的放大器腔內(nèi)加SSF，不僅使輸出激光脈沖的ASE對(duì)比度提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)，而且有效抑制了放大光的增益窄化和光譜紅移。高對(duì)比度再生放大器可為多種強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)所需的高峰值功率激光器提供高對(duì)比度的優(yōu)質(zhì)種子光源。

致謝感謝Alpine Research Optics公司提供的SSF透射曲線圖以及河南省啟封新源光電科技有限公司提供的實(shí)驗(yàn)條件。