基于序列带增益谱的皮秒太瓦CO2激光放大器研究

When the ultra-short laser pulse is used for the plasma acceleration, the energy transferring to the charged particle is proportional to the product of the field intensity and the square of the wavelength. Due to its mid-infrared wave band(10.6μm), CO2 laser is likely to be one of the most important next generation light source for the laser acceleration of proton and ion. However, due to the discretization and narrow bandwidth of the gain spectrum of CO2 molecules, it is hard for the chirped pulse amplification being used for the CO2 laser. This project proposes to increase the gain of CO2 molecules sequence band using optical pumping and compact the gain spectrum by means of overlapping gain spectrum of sequence band and normal band to solve the problem, realizing pico-second CO2 pulse amplification at quasi-continuous spectrum. The team will carry out the researches about the absorption spectrum of sequence band, the energy relaxation at each rotational level of the optical pumped sequence band, the coherent amplification process of different spectrum of the input pulse in the different gain band series both theoretically and experimentally. Establishing a synthesis analytical model of a quasi-continuous spectrum CO2 laser amplification matching electro-optic pump, roundly analyzing influence of gain of CO2 sequence band on performance characteristics of the amplifier, building pulse discharge CO2 laser amplifier with innovative structure and high efficiency pumped by solid-state laser, obtaining laser output at ps-mJ level, Laying the theoretically and experimentally foundation for picosecond- Terawatts CO2 laser system.

超强激光等离子加速（LPA）时，强激光脉冲传递给带电粒子的能量正比于波长的平方，超短超强CO2激光的波长优势，极有可能成为下一代LPA高能质子（离子）、电子束的主力光源。但是由于CO2分子增益谱线的窄带宽、离散化特性，啁啾放大技术（CPA）很难实现。本项目创新性提出光泵浦方式提升CO2分子序列带增益，利用序列带增益谱线与常规带增益交叉重叠的特性来加密增益谱，解决CO2分子增益谱的离散化与窄线宽问题，实现准连续谱皮秒CO2秒冲放大。研究序列带吸收谱线、光泵序列带各转动能级能量驰豫、输入脉冲的不同频谱成分在分子不同增益带系中相干放大过程；建立电光泵浦相匹配的准连续谱CO2激光放大理论模型，试验研究CO2序列带增益对放大器运行特性，构建高效固体激光泵浦脉冲放电CO2激光放大器，获得ps-mJ级激光输出，为实现皮秒太瓦CO2激光输出获得理论基础和科学依据。

在高功率激光器市场逐渐被光纤激光器占领的今天，CO2激光器仍然因其特殊波段在超强激光领域发挥着独一无二的作用。皮秒太瓦CO2激光器伴随着激光等离子体加速的需求牵引得到了快速发展。但CO2分子自身增益谱离散化和窄线宽的特性极大地限制了该激光超短脉冲的发展。为了解决CO2激光再生放大器增益不连续导致的频谱调制和脉冲分裂问题，本项目创新性地提出了光电混合泵浦方法来提升CO2分子中序列带的增益占比，获得序列带与常规带增益谱线交叉重叠后的加密增益谱，从而解决增益离散化与窄线宽的问题。围绕高效放大皮秒脉冲的目标，本项目主要研究内容如下：.（1）建立了光电混合泵浦皮秒CO2激光再生放大系统的理论模型。.首先设计了能够满足放大倍数为102~105混合泵浦系统，其腔体结构基本参数确定为：放电区域1×1.5×80 cm3、极板间间距为1 cm、初始的E/N值为2×10-16 V/cm2。考虑放电泵浦与光泵浦的时序问题，将泵浦光的注入时间设置在放电后的625 ns时能够在该泵浦结构的再生放大中得到充分展宽的增益谱。.然后基于上述光电混合泵浦结构，建立了受激辐射光吸收过程中CO2激光再生放大器的速率方程理论模型，并全面分析了该理论模型的气体放电动态过程。通过模拟计算，在最佳注入时间625 ns下注入泵浦脉冲时，特征温度T3能突破瓶颈并达到2578 K，表明光电混合泵浦的方法有效地加宽了CO2激光放大器中的增益谱线。上述理论分析为这一提高脉冲功率和能量的技术方案打下理论基础。.（2）探究了混合泵浦下增益加宽效果以及皮秒脉冲再生放大仿真效果。.基于上述理论模型，本项目模拟了光电混合泵浦CO2激光再生放大系统对皮秒种子脉冲放大的过程。结果表明该系统能够将序列带增益占比提高20%以上，放大后主脉冲的能量占比提高比例达到30%以上；在腔内气压为5 atm时能将主脉冲能量集中度提高到30%以上，改善程度达到385%。.本项目的一系列结果表明，光电混合泵浦结构能够有效改善皮秒脉冲在高倍率放大下的峰值功率和能量集中度，为CO2激光系统多级放大输出皮秒太瓦脉冲奠定了理论基础。