近期，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)室對(duì)“新一代超強(qiáng)超短激光綜合實(shí)驗(yàn)裝置”中的200TW/1Hz激光進(jìn)行性能升級(jí)，并利用此激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生高質(zhì)量高穩(wěn)定性電子。相關(guān)研究為高峰值功率飛秒激光系統(tǒng)的建設(shè)提供了技術(shù)指導(dǎo)，為臺(tái)式化X射線自由電子激光器的實(shí)現(xiàn)提供了原理驗(yàn)證。

“新一代超強(qiáng)超短激光綜合實(shí)驗(yàn)裝置”激光系統(tǒng)于2015年正式運(yùn)行，旨在通過激光尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生高亮度X射線源。其中，產(chǎn)生電子的穩(wěn)定性是裝置性能的重要指標(biāo)。電子的高穩(wěn)定性將會(huì)促進(jìn)在單能伽馬射線源、電子醫(yī)療等方面的實(shí)際應(yīng)用。

200TW/1Hz驅(qū)動(dòng)激光升級(jí)工程圖

激光尾波場(chǎng)加速是一個(gè)高度的非線性過程，所產(chǎn)生電子的性能與驅(qū)動(dòng)激光的參數(shù)密切相關(guān)。為獲得高質(zhì)量高穩(wěn)定的電子，該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)200TW/1Hz驅(qū)動(dòng)激光進(jìn)行全面升級(jí)。

在穩(wěn)定性方面，通過優(yōu)化放大器的泵浦源和放大模式，放大激光的能量穩(wěn)定性達(dá)到0.55%（std）；通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)、溫度、氣流，引入光束自準(zhǔn)直技術(shù)，激光在靶點(diǎn)的指向穩(wěn)定性達(dá)到1.5μrad（std）。該指向穩(wěn)定性（90分鐘）是目前所知高峰值功率激光系統(tǒng)最好的測(cè)量結(jié)果。在時(shí)空質(zhì)量方面，通過優(yōu)化光譜的全局位相，實(shí)現(xiàn)近傅里葉變換極限的脈寬；通過控制系統(tǒng)中光學(xué)元件的靜態(tài)波前畸變，實(shí)現(xiàn)近衍射極限的焦斑。最終，利用f/30離軸拋面鏡獲得了6.2×1018W/cm2的峰值聚焦強(qiáng)度，是升級(jí)前的2.6倍。在連續(xù)300發(fā)實(shí)驗(yàn)中，電子的重復(fù)率達(dá)到了100%，電子的平均峰值能量為667MeV，峰值能量抖動(dòng)為3.4%（std）。

相關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)與激光技術(shù)》上。