日本大型激光装置J-KAREN-P完成等离子体镜系统综合性能表征
导读
J-KAREN装置位于日本京都的关西光科学研究所，于2003年实现了28.4 J/33 fs的输出，是世界上较早获得拍瓦峰值功率的激光装置。随后激光系统升级至J-KAREN-P，率先采用了光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）钛宝石融合系统，目前可以在0.1 Hz下运行30 J /30 fs的输出参数。在F数（焦距与通光口径之比）为1.3的离轴抛面镜（OAP）聚焦下，常规参数运行可以实现1×1022 W/cm2的光强。
图1 J-KAREN-P激光装置
引言
随着高功率激光技术的进步，大型激光装置如雨后春笋纷纷建立。在获得越来越高的极端光强的同时，人们提出了“3U”的目标——超短（Ultrashort）、超强（Ultrahigh）和超高对比度（Ultraclean）。长期以来，如何获得高对比度激光是人们十分关心的问题。等离子体镜(plasma mirror, PM)以其原理简单、装置易调节的优势得到人们的青睐，利用它可将激光对比度提高约两个量级。简单来说，等离子镜是一块镀膜的介质镜，在较弱光强下表现为高透过率，而激光光强到达一定阈值后被激发，形成等离子体层反射强激光，这样在时间域上“抑弱保强”，从而使激光在时域上更加干净。
日本国家量子科学技术研究中心，关西光科学研究所在激光装置J-KAREN-P上安装并测试了等离子体镜系统。J-KAREN-P装置是带有OPCPA（optical parametric chirped pulse amplification)段的双CPA(chirped pulse amplification)激光系统，经过压缩腔后的脉冲功率为200 TW（10 J, 50 fs）,光束尺寸为250 mm。等离子体镜腔室如图2所示，经过潜望镜光路反射改变激光偏振，镜面表面镀多层介质膜，在入射角为16°时对770-830 nm波长激光反射率低于1%，未来会调整入射角度优化对比度效果。电机水平行程为35 mm，竖直行程为250 mm，约容纳1000发次。
在High Power Laser Science and Engineering 2022年第4期的文章中，关西光科学研究所Akira Kon等人研究表明等离子体镜的反射率超过80%，主脉冲前1 ps的对比度提升两个量级。此外，在100 kJ/cm2以内，激光经过等离子体镜后的近场分布保持不变。同时，文章中也对有无等离子体镜的能量涨落、脉宽、指向稳定性等参数进行了表征。
等离子体镜系统的表征
等离子体镜的反射率，通过在最后一级放大已标定能量的CCD（charge coupled device）、安装在等离子体镜后的绝对标定的积分球和谱仪来计算。测量结果不仅包括等离子体镜，也包括OAP（off-axis parabola)和反射镜。通过改变OAP到PM的聚焦以及脉冲能量来实现入射等离子体镜的激光通量的变化，通量的计算由PM上光斑成像尺寸计算获得。图3是不同通量下的反射率，反射率随着通量增加而增加，在500 kJ/cm2左右达到85%。需要指出的是，反射率与时空分布密切相关，若空间分布不均匀或者时域分布不完美，将会影响触发效果，从而降低反射率。本文同时进行了多发测量，从40发的结果来看，无等离子体镜的到靶能量为9.0±0.31 J，平均每发的相对标准差为3.4%；有等离子体镜为5.9±0.26 J，相对标准差为4.4%，说明等离子体镜并未显著影响能量稳定性。
脉宽和时域对比度通过自相关光谱仪和三阶相关仪进行表征。表征的数据中，激光通量设置为500 J/cm2，主要是为了避免由于近场光斑由于反射率变化而造成光学损坏。在此通量参数下，可以安全进行多发实验。有无等离子体镜下的激光时域信息如图4所示，可以看到其触发时间在主脉冲到来前的0.3 ps至0.9 ps之间，虚线则是采用等离子体镜反射率65%和低光强反射率0.8%进行计算给出的对比度估计值。
此外，本文还对近远场光斑进行了表征。远场主要通过OAP后的物镜配合CCD进行采集，近场则是在等离子体镜后3 m的位置对光束成像。研究发现在激光通量高于500 kJ/cm2之后，光强分布受到了极大影响，主要因为光斑空间分布不完全均匀导致强区部分提前电离等离子体镜从而造成了畸变。对光斑的尺寸和指向性进行多发表征之后发现，无PM下的横纵向尺寸分别为1.57 μm和1.65 μm，有PM下则为1.66 μm和1.59 μm。无 PM下的横纵向指向性分别为1.11 μrad和1.22 μrad，有PM则是1.99 μrad和2.07 μrad，这可能是由于等离子体镜系统的OAP等光学元件造成光路有一定偏差所致。
总结与展望
科学编辑 | 秦川
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