PHILEX拍瓦激光超紧凑在线光束校正技术

所谓工欲善其事必先利其器，光束质量直接影响激光等离子体相互作用的实验结果。控制光束的时间与空间参数，以期获得尽可能高的光强是大型激光装置追求的目标之一。自适应光学通过改变近场的光优化波前相位，末端放置波前传感器作为反馈形成闭环用于优化光束质量。一般来说，通过啁啾脉冲放大技术的激光，其波前控制分为两个部分。一个部分在压缩腔前避免时空耦合影响压缩，另一个部分在压缩腔后焦点附近放置波前传感器、可以精确估计到靶光强。然而随着光斑尺寸越来越大，精确的时空在线表征变得越来越困难。

在High Power Laser Science and Engineering 2022年第3期的文章中，德国GSI的J. B. Ohland等研究人员通过自适应光学的方法，在有限的实验空间内搭建了一套超紧凑的表征系统用于the Petawatt High-Energy Laser for heavy Ione Xperiments（PHILEX）激光装置束斑的在线校正。经过优化后激光光强提高2倍，稳定在1×10²¹ W/cm²以上。

J. B. Ohland, U. Eisenbarth, B. Zielbauer, Y. Zobus, D. Posor, J. Hornung, D. Reemts, V. Bagnoud. Ultra-compact post-compressor on-shot wavefront measurement for beam correction at PHELIX[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(3): 03000e18 

受限于实验空间，PHILEX系统的表征平台仅有约2 m²,却需要满足以下要求：

1）带宽：PHILEX激光器带宽约为5 nm，中心波长为1053 nm，整个光路系统需要满足消色差要求。

2）束：全尺寸光斑约为280 mm，需要对其进行完全表征其光斑尺寸不应超过5 mm，也就是说缩放倍数至少为56。

3）变形镜成像：为使得自适应光学正常工作，可变形镜表面需要成像至波前传感器上。

4）高动态范围：PHILEX激光器工作频率为90 min，检测需要和打靶同时进行。所以检测系统需要能良好地处理5×10⁵的数值动态范围。

5）合适的透射波前传感器：表征系统无法提供绝对波前测量，需要进行校准。

基于以上要求，表征PHILEX系统的光路图如图2所示。最后一个转角镜的漏光从左侧进入，计算B积分（度量激光的非线性相移大小）后得到平均值为0.261 rad，峰值为0.555 rad，在可接受的范围内。之后通过一个8：1的望远镜系统对光束进行初步缩束，再经过一个马赫-曾德尔干涉仪和一个开关选择光束路径，此时光束的B积分效应已经忽略不计，故可以传出真空区域进入腔外。在腔外经过两个电动反射式中性滤片之后能量进一步衰减，之后再通过缩放因子为3.3的开普勒式望远镜系统进一步缩束，再经过一个连续变化的衰减片以及一个半波片后，由一个无色差的开普勒望远镜系统将光束缩放2.4倍从而在相机箱里中成像。

光路的准直采用参考光束回传的方法。在焦点附近放置刻蚀的钨针尖代替焦点位置，在两个方向的显微镜均可以对其进行成像从而确定焦面。焦点附近的焦斑优化需要进行校准，所以研究者搭建了一套专门用于波前传感器校正的光路——激光系统绝对波前传感校正器（Calibrator for Laser systems with Absolute Wavefront Sensing, CLAWS），如图3所示。这套装置直接放置在靶腔内，通过一个小孔进行原位自我校正。将小孔放置在焦面上，会建立起理想的球面波作为波前传感器的参考，如图4所示。整个装置紧凑便携，校正过程结束之后，可以很方便地拆除。