基于新型超宽带频率变换技术的紫外超短脉冲光源研究

Ultraviolet light source and broadband frequency conversion technology have brilliant prospect not only in scientific research frontier but also in industrial applications. This project aims at developing a new type of ultra-broadband frequency conversion technology. In dealing with the phase mismatch problem that occurs in broadband frequency conversion of ultrashort pulses, we will adopt the multiple-line density prism-grating pair structure that we proposed in 2013 to accurately control and compensate the angular dispersion. Group velocity mismatching frequency conversion process will be controlled and compensated with high precision by applying a new method of quasi-perfect phase matching technique that based on the principle of linear electro-optic effect that we participated in proposing in 2016, in hopes of achieving “broadband spectrum” and “high efficiency” in frequency up-conversion process. Based on this new technology, we will build an in-lab ultraviolet light source operating at 404nm and 320nm for high repetition femto-second laser on the order of terawatt. This project provides technical reserves and feasibility supports for the single beamline of 1PW-10PW large-scale ultrashort high intense laser facilities on-building around the world, enriches methods of targeting and diagnostics, and most importantly, it supplies fundamental arguments for the development of ultraviolet industrial-class laser facilities.

紫外超短脉冲光源与宽带频率变换技术在工业、科学前沿探索等领域存在广泛的应用前景。本课题旨在发展一种新型超宽带频率变换技术，针对短脉冲宽带频率变换面临的“相位失配”问题，利用本课题组2013年提出的多倍线密度棱栅对结构实现精确角色散控制与补偿；针对“群速失配”问题，利用2016年本课题组成员参与提出的基于电光效应原理的方法实现高精度群速匹配控制与失配补偿，预期实现“宽光谱”与“高效率”频率上转换。以该新型技术为核心，在实验上建立404nm近紫外波段与320nm紫外波段的重复频率TW量级高功率飞秒脉冲紫外光源。该研究不仅为当前国内外在建的单束线1PW~10PW量级大型超短超强激光装置在紫外波段的功能拓展提供技术储备与可行性方案支持，丰富装置打靶方式与诊断手段，还可以为紫外波段的工业激光器开发提供实用性基础论证。

紫外超短脉冲光源与宽带频率变换技术在工业、科学前沿探索等领域存在广泛的应用前景。本课题支持发展一种新型超宽带频率变换技术，利用多倍线密度棱栅对结构实现精确角色散控制与补偿方法有效解决了相位失配问题，在BBO晶体内开展了高效宽带频率变换理论与实验研究，并在其他相关非线性光学领域取得了系列研究成果，具体成果包括：1）在该项目支持下，宽带频率变换的实验论证，实现带宽达到28nm、效率50%的世界最高纪录；实现压缩脉冲输出30mJ/15fs、峰值功率达到2TW的重复频率1Hz太瓦量级紫外超短光源产生，达到本课题指标要求；2）实验实现了800nm波段全纳秒域OPCPA信噪比提升，将信噪比从8提升至11次方，为国际全纳秒域OPCPA最高指标；3）提出并理论分析了基于GGG晶体XPW技术方案的高性能种子光源产生方案可行性；系统地理论研究了高效相位共轭技术在高信噪比种子源产生的作用；4）实验证实了在808nm波段，YCOB晶体、BBO晶体、高掺氘率DKDP晶体的参量放大能力，支撑数拍瓦量级的超短超强飞秒激光装置各级放大器实施；5）在SG-II 5PW激光装置全系统色差预补偿技术，获得终端经自适应光学矫正后全光谱静态光学焦斑小于4.4μm，动态焦斑21μm*21μm，支撑物理实验质子加速动能大于16MeV结果；6）在Optics Letters、High Power Laser Science and Engineering、Optics Express以及Applied Physics Express等期刊上发表SCI论文10篇，EI论文1篇，参加学术会议6人次，做口头报告与张贴报告多次，EI会议论文1篇，申请发明专利3项，培养博士研究生3名。上述成果为超短超强激光光源产生提供了技术方案，应用于SG-II 5PW激光装置；紫外重频太瓦级光源可以为超快诊断以及紫外超快激光材料损伤研究提供平台。