极端光物理线站（Station of Extreme Light，SEL）是正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置项目（SHINE）的重要组成部分。近日，上海光机所在SEL－100 PW装置前端装置建设方面取得突破。团队通过使用三级基于LBO晶体非共线宽带OPCPA技术路线，结合自研的重频大能量泵浦源技术，成功实现了0．1 Hz／5．26 J／210 nm激光输出，压缩脉宽13．4 fs，支持263 TW峰值功率。相关研究成果以＂13．4 fs， 0．1 Hz OPCPA Front End for the 100 PW－Class Laser Facility＂为题发表于Ultrafast Science。
为了获得宽带光参量放大，团队采用了非共线相位匹配技术方案，并综合比较了BBO、LBO和DKDP这三种常用非线性晶体特性。在泵浦强度为1 GW／cm2时，三种晶体在925 nm中心波长下的宽带增益谱如图2所示。然而，与BBO和DKDP（D＝80％）相比，LBO具有中等的非线性系数（0．79 pm／V），口径可达100 mm、走离角最小（0．47°）等特点，并且在925 nm中心波长附近的宽带最宽（202 nm，半高全宽）。此外，LBO晶体能够覆盖DKDP（D＝80％）增益谱，从而确保SEL－100 PW前端的输出光谱可以完美支持基于DKDP晶体的OPCPA终端放大器。
该前端采用双光栅展宽器对高信噪比种子光进行展宽，啁啾率为14．2 ps／nm。展宽后种子光注入三级基于LBO的OPCPA放大器。其中三级放大器使用泵浦光参数分别为100 mJ／100 Hz，3 J／1 Hz，25 J／0．1 Hz。三级OPCPA放大器输出能量分别为10．5 mJ／525 mJ／5．26 J。图3（a）给出三级OPCPA放大器输出光谱，光谱全宽为210 nm。图3（b）－（e）对应后两级OPCPA泵浦以及信号光斑。
第三级OPCPA之后，放大的脉冲通过采样注入压缩器。在没有任何额外色散补偿的情况下，仅通过优化压缩器中光栅对的距离和角度，团队获得了近傅里叶极限变换脉宽，典型的脉宽为13．4 fs，如图4（b）所示。压缩结果表明，在低材料色散系统，例如OPCPA系统中，双光栅Offner展宽器在压缩脉宽方面有着优良表现。压缩器传输效率为67％，因此该前端装置可以支持峰值功率263 TW重频0．1 Hz的激光输出。
研究团队展示了上海光机所SEL－100 PW激光装置前端的建设进展以及激光性能。该前端是硬X射线自由电子激光装置重要组成部分，同时也是世界首个工作在重频模式的百太瓦量级OPCPA激光器。该前端研制成功为实现100 PW激光超强峰值功率输出所需关键激光技术验证以及元器件的测试提供了优良的平台，为硬X射线自由电子激光装置建成和开放运行打下基础。
图1 SEL－100 PW装置0．1 Hz／200 TW级OPCPA前端示意图
图2 BBO，LBO以及掺氘率80的DKDP晶体在1GW／cm2光强下的增益谱
图3 （a）三级OPCPA放大光谱曲线。（b），（c）第二／三级OPCPA泵浦光斑； （d），（e）第二／三级OPCPA信号光斑
图4 （a）脉冲相位曲线。（b）脉冲脉宽数据。
