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Recent laser upgrades at Sandia's Z-backlighter facility in order to accommodate new requirements for magnetized liner inertial fusion on the Z-machine

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High Power Laser Science and Engineering 2016年第4期4卷 1-12页

作者： Jens Schwarz Patrick Rambo Darrell Armstrong Marius Schollmeier Ian Smith Jonathan Shores Matthias Geissel Mark Kimmel John Porter Sandia National Laboratories

The Z-backlighter laser facility primarily consists of two high energy, high-power laser systems. Z-Beamlet laser(ZBL)(Rambo et al., Appl. Opt. 44, 2421(2005)) is a multi-kJ-class, nanosecond laser operating at 1054 nm which is frequency doubled to 527 nm in order to provide x-ray backlighting of high energy density events on the Z-machine. Z-Petawatt(ZPW)(Schwarz et al., J. Phys.: Conf. Ser. 112, 032020(2008)) is a petawatt-class system operating at 1054 nm delivering up to 500 J in 500 fs for backlighting and various short-pulse laser experiments(see also Figure 10 for a facility overview). With the development of the magnetized liner inertial fusion(MagLIF) concept on the Z-machine, the primary backlighting missions of ZBL and ZPW have been adjusted accordingly. As a result, we have focused our recent efforts on increasing the output energy of ZBL from 2 to 4 kJ at 527 nm by modifying the fiber front end to now include extra bandwidth(for stimulated Brillouin scattering suppression). The MagLIF concept requires a well-defined/behaved beam for interaction with the pressurized fuel. Hence we have made great efforts to implement an adaptive optics system on ZBL and have explored the use of phase plates. We are also exploring concepts to use ZPW as a backlighter for ZBL driven MagLIF experiments. Alternatively, ZPW could be used as an additional fusion fuel pre-heater or as a temporally flexible high energy pre-pulse. All of these concepts require the ability to operate the ZPW in a nanosecond long-pulse mode, in which the beam can co-propagate with ZBL. Some of the proposed modifications are complete and most of them are well on their way.

关键词： adaptive optics high energy lasers MagLIF opcpa petawatt lasers SBS suppression

载波包络相位稳定的中红外opcpa机理与技术研究

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载波包络相位稳定的中红外OPCPA机理与技术研究

作者：马芬中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）

学位级别：硕士

中红外脉冲激光源(3-5μm)在光谱测量、遥感、环保、强场物理和国防安全等领域具有十分重要的应用价值，是科学研究领域的重要工具和手段。随着近年来强场物理、生物医学和工业应用等众多领域的深入研究和快速发展，几个周期甚至单周期... 详细信息

中红外脉冲激光源(3-5μm)在光谱测量、遥感、环保、强场物理和国防安全等领域具有十分重要的应用价值，是科学研究领域的重要工具和手段。随着近年来强场物理、生物医学和工业应用等众多领域的深入研究和快速发展，几个周期甚至单周期的中红外高功率超短脉冲激光源成为一种不可缺少的工具。然而，当脉冲宽度接近周期量级时，脉冲的载波包络相位(CEP)在非线性实验中起决定性作用，成为产生阿秒脉冲以及影响超短脉冲应用等方面的关键因素。本文围绕CEP稳定的中红外超短脉冲产生技术进行了系统的理论研究，主要内容归纳如下： 1、综述了目前中红外激光产生技术以及CEP稳定的超短中红外脉冲激光产生技术的研究进展，对中红外脉冲主要产生技术进行了重点阐述并比较了各种技术的优缺点。同时，分析了CEP稳定脉冲的产生技术及应用需求，得出了光学差频(DFG)和光参量啁啾脉冲放大(opcpa)相结合的技术是产生高重复率CEP稳定的中红外超短超强激光脉冲的主要技术途径的结论。 2、从麦克斯韦方程组出发，得到了三波混频的非线性耦合波方程，基于该方程理论分析了相位匹配和走离效应，并数值模拟了周期极化晶体铌酸锂(PPLN)和双轴晶体砷酸钛氧钾(KTA)两种常用中红外晶体的相位匹配以及KTA晶体的时间、空间走离效应，同时分析得到了参量过程中非线性晶体长度的选取原则。 3、系统描述了超短脉冲载波包络相位的定义，从中分析得出了载波包络相位时域、频域的相互关系，同时综述了CEP稳定技术及其研究进展，并重点阐述了目前常用的光学控制实现CEP稳定技术及其主要测量技术，从原理上分析了光学差频具有的自稳定性。 4、提出了一种基于不同光学差频过程产生的两束闲频光直接相干合成从而实现CEP稳定单周期中红外脉冲产生的新方法，建立了两束闲频光相干合成的理论模型，理论模拟了初始合成光束的频谱重叠度、载波包络相位差、相对时间延迟和初始啁啾比对合成光束波形的影响。通过分析上述参数对合成光束波形的影响，为光束波形优化提供了一般法则：初始脉冲间存在一个最佳波长差使得合成光束脉宽最短;初始载波包络相位差存在最优值0.8π使得合成光束脉宽最短;相对时间延迟在一定范围内的增加对合成光束脉宽影响不大，但脉冲能量降低;存在一个最佳初始啁啾比使得合成光束脉宽最短。数值模拟结果表明通过优化设计上述参数可以产生中心波长位于4233nm、频谱范围覆盖3000nm到7000nm间的单周期激光脉冲。

关键词：载波包络相位中红外激光光学差频 opcpa

Dispersion Analysis and Compensation of Collinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplification Systems

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Chinese Physics Letters 2005年第12期22卷 3091-3093页

作者：王乘冷雨欣梁晓燕张春梅赵保真徐至展 State Key Laboratory of High Field Laser Physics Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics Chinese Academy of Sciences Shanghai 201800

在光参量的啁啾的脉搏扩大(opcpa ) 激光系统，剩余阶段分散应该被补偿像一样可能弄短放大脉搏并且改进脉搏对比率。过程在中央信号波长被介绍描绘一幅清楚的物理图画并且简化阶段赔偿的设计的在在同一直线上的光参量的扩大(OPA ) 的导... 详细信息

在光参量的啁啾的脉搏扩大(opcpa ) 激光系统，剩余阶段分散应该被补偿像一样可能弄短放大脉搏并且改进脉搏对比率。过程在中央信号波长被介绍描绘一幅清楚的物理图画并且简化阶段赔偿的设计的在在同一直线上的光参量的扩大(OPA ) 的导致的阶段的订单的表情。作为例子，我们模仿二个 opcpa 系统补偿阶段直到部分第四顺序的术语，并且在 800 nm 在 1064 nm 和 90-nm 获得 200-nm 带宽的扁平的阶段系列。

关键词：光参量脉冲扩大系统激光系统 OPA opcpa 带宽

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Ⅰ类高氘DKDP晶片性能研究

人工晶体学报 2022年第12期51卷 2009-2013,2030页

作者：李鹏飞胡子钰郑国宗福州大学化学学院福州350116 中国科学院福建物质结构研究所福州350002

受到晶体尺寸以及非线性光学性能的影响,目前可供选择的非线性晶体非常有限。DKDP晶体作为传统大尺寸光电材料,在光参量啁啾脉冲放大(opcpa)装置中得到了应用。高氘化的DKDP晶体有更好的光学性能,然而生长出高氘化DKDP晶体对生长环境等... 详细信息

受到晶体尺寸以及非线性光学性能的影响,目前可供选择的非线性晶体非常有限。DKDP晶体作为传统大尺寸光电材料,在光参量啁啾脉冲放大(opcpa)装置中得到了应用。高氘化的DKDP晶体有更好的光学性能,然而生长出高氘化DKDP晶体对生长环境等有更加严格的要求。本文通过改良的原料合成罐以及生长槽,采用点籽晶快速生长法成功生长出高氘DKDP晶体。按照Ⅰ类(θ=37.23°,φ=45°)切割方式制备样品,并对其氘含量、透过率、光学均匀性以及晶体激光损伤阈值进行测试。实验结果表明,晶体的平均氘含量达到98.49%,在可见-近红外波段下具有较宽的透过波段和较高的透过性能。R-on-1的测试结果显示,在3 ns、527 nm条件下,DKDP晶体的激光损伤阈值达到了19.92 J/cm^(2)。晶体光学均匀性均方根达到了1.833×10^(-9),表明晶体具有良好的光学均匀性。

关键词： DKDP 非线性晶体 opcpa 高氘点籽晶快速生长法光学性能 Ⅰ类

Femtosecond Laser Pumped Conical Emission and Seeded Ring Amplification in BBO Crystals

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Chinese Physics Letters 2005年第7期22卷 1652-1655页

作者：张家森李锋铭王树峰龚旗煌 StateKeyLaboratoryforMesoscopicPhysics DepartmentofPhysicsPekingUniversityBeijing100871

The characteristics of femtosecond laser pumped conical emission in quadratic media of β-barium borate (BBO) crystals are analysed. A minimized dispersion phase-matching angle, by which a wide-range spectrum can be obtained, is used for broadband amplification. When a seed of a chirped supercontinuum pulse is input, it is found that the seed in wavelength 500nm–750nm is amplified and time resolved.

关键词： NIR XFROG opcpa

Toward 5.2μm terawatt few-cycle pulses via optical parametric chirped-pulse amplification with oxide La3Ga5.5Nb0.5O14crystals

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High Power Laser Science and Engineering 2019年第4期7卷 21-32页

作者： Jinsheng Liu Jingui Ma Jing Wang Peng Yuan Guoqiang Xie Liejia Qian Key Laboratory for Laser Plasmas(Ministry of Education) Collaborative Innovation Centre of IFSA(CICIFSA)School of Physics and AstronomyShanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China Tsung-Dao Lee Institute Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China

High-power femtosecond lasers beyond 5μm are attractive for strong-field physics with mid-infrared(IR)fields but are difficult to scale up.In optical parametric chirped-pulse amplification(opcpa)at mid-IR wavelengths,a nonlinear crystal is vital,and its transmittance,dispersion,nonlinear coefficient and size determine the achievable power and wavelength.opcpa beyond 5μm routinely relies on semiconductor crystals because common oxide crystals are not transparent in this spectral range.However,the small size and low damage threshold of semiconductor crystals fundamentally limit the peak power to gigawatts.In this paper,we design a terawatt-class opcpa system at 5.2μm based on a new kind of oxide crystal of La3Ga5.5Nb0.5O14(LGN).The extended transparent range,high damage threshold,superior phase-matching characteristics and large size of LGN enable the generation of 0.13 TW seven-cycle pulses at5.2μm.This design fully relies on the state-of-the-art opcpa technology of an octave-spanning ultrafast Ti:sapphire laser and a thin-disk Yb:YAG laser,offering the performance characteristics of high power,a high repetition rate and a stable carrier-envelope phase.

关键词： few-cycle mid-infrared opcpa oxide LGN crystals

上海光机所在基于YCOB晶体的opcpa技术方面取得进展

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稀土 2020年第4期41卷 40-40页

作者：无上海光学精密机械研究所

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员朱健强、谢兴龙领衔的数拍瓦课题组与中国科学院上海硅酸盐研究所团队合作,在基于三硼酸氧钙钇(YCOB)晶体的808 nm波段光参量啁啾脉冲放大技术(opcpa)实验研究中,获得了高增益、超宽带、高... 详细信息

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员朱健强、谢兴龙领衔的数拍瓦课题组与中国科学院上海硅酸盐研究所团队合作,在基于三硼酸氧钙钇(YCOB)晶体的808 nm波段光参量啁啾脉冲放大技术(opcpa)实验研究中,获得了高增益、超宽带、高转换效率输出。相关成果发表于《光学快讯》(Optics Express)。

关键词：光参量啁啾脉冲放大上海光机所 opcpa 超宽带中国科学院 YCOB晶体团队合作高转换效率

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周期极化LiNbO_3脉冲走离效应分析

强激光与粒子束 2007年第8期19卷 1279-1282页

作者：高艳霞赵改清吴景清深圳大学物理科学学院应用物理系广东深圳518060

建立了包含高阶群速色散的opcpa数值模拟程序,并以准相位匹配的周期极化的LiNbO3(PPLN)参量放大器为例,在信号光是中心波长1 053 nm,脉宽100 fs的飞秒脉冲经展宽器展宽800 ps的啁啾脉冲,输入能量约0.6 nJ,泵浦光波长527 nm,脉宽3 ns,初... 详细信息

建立了包含高阶群速色散的opcpa数值模拟程序,并以准相位匹配的周期极化的LiNbO3(PPLN)参量放大器为例,在信号光是中心波长1 053 nm,脉宽100 fs的飞秒脉冲经展宽器展宽800 ps的啁啾脉冲,输入能量约0.6 nJ,泵浦光波长527 nm,脉宽3 ns,初始输入泵浦光强300 MW/cm2,PPLN晶体的非共线角1.49°,极化周期9.7μm的条件下,对opcpa过程前级的高阶群速色散引起的走离效应对泵浦光、信号光频谱和脉冲形状的影响等具体特性进行了数值模拟。结果表明:在合适的晶体长度下,高阶群速色散对参量转换效率的影响不大,但它对输出信号光的时间波形和频谱有较大影响,会引起脉冲时间形状畸变和频谱漂移。

关键词： opcpa 走离效应准相位匹配高阶群速色散

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超短脉冲激光信噪比提升与控制技术研究

超短脉冲激光信噪比提升与控制技术研究

作者：梁师国中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

超短超强激光具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,在超快时间光谱分辨、X射线源的产生、高次谐波、强场物理方面有重要应用,然而,较低的激光信噪比严重制约了超短超强脉冲激光在强场物理方面的应用。本文围绕超短超强脉冲激光信噪比的... 详细信息

超短超强激光具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,在超快时间光谱分辨、X射线源的产生、高次谐波、强场物理方面有重要应用,然而,较低的激光信噪比严重制约了超短超强脉冲激光在强场物理方面的应用。本文围绕超短超强脉冲激光信噪比的提升与控制进行了研究,主要工作如下： 1.综述了国内外超短脉冲激光的研究进展、超短超强脉冲激光信噪比的研究背景和提升方法,并比较各种方法的优缺点。 2.提出了一种基于简并态四波混频相位共轭波技术提高超短脉冲激光信噪比的新方法,建立了激光信噪比提升的理论模型,理论模拟了光谱带宽对产生相位共轭波的转化效率的影响。结果表明：超短脉冲激光输出信噪比与输入信噪比是三次方关系。基于相位共轭波的产生,超短脉冲激光信噪比得到了大幅度的提升,输出脉冲不仅具有高的信噪比而且脉冲时域没有畸变,光束质量较好。 3.研究了在超快非线性介质中发生非线性椭圆偏振旋转效应(NER),并提出了基于NER效应提升超短脉冲激光信噪比的新方法,建立了超短脉冲激光信噪比提升的理论模型。理论模拟计算了光谱带宽对非线性偏振旋转的转化效率的影响;理论分析和数值研究了起偏器和检偏器消光比、功率密度、输入偏振光与波片快轴的夹角对超短脉冲激光输出信噪比和转换效率的影响。结果表明：在消光比为10-5情况下,超短脉冲激光信噪比可以提高3个量级;系统在最优夹角和功率密度条件下,输出脉冲具有高的信噪比和高的转换效率。 4.利用光学参量啁啾脉冲放大(opcpa)激光系统对简并态四波混频相位共轭波提升超短脉冲激光信噪比进行了实验研究,获得了转换效率10%的高信噪比超短脉冲输出。利用三阶互相关仪测量相位共轭波的信噪比,实验结果表明超短脉冲激光信噪比从1.7×103提高至8.6×108。 5.设计了非线性椭圆偏振旋转提升超短脉冲激光信噪比的实验方案,以CS2作为超快非线性介质,利用千赫兹3TW钛宝石飞秒激光系统对该方案进行了实验研究,获得了转换效率高达30%的高信噪比激光输出。

关键词：信噪比四波混频相位共轭波非线性偏振旋转 opcpa