具有的超快時間分辨率及強峰值功率等優點，在諸多前沿科學領域及交叉學科中均能發揮顯著超短激光作用。目前，世界上已有多個國家正在建設或已建成輸出功率達到數拍瓦級的強超短激光裝置。伴隨著聚焦技術的發展，通過合理的聚焦手段，拍瓦級激光裝置的輸出功率密度可以達到1022W/cm2.可在實驗室環境中創造出的物理條件，使得對光與物質相互作用的研究范疇進入相對論光學領域，極大地促進了等離子體物理、核醫學、高能粒子加速及反物質研究等強場物理研究方向的發展。
如何進一步提升強超短激光裝置的聚焦功率密度，也成為現今強超短激光領域科研工作者的一大重要挑戰。
圖1 激光峰值功率隨時間的變化趨勢及在光與物質相互作用領域的應用示意圖
波前畸變是影響拍瓦激光系統聚焦性能的重要因素。由于拍瓦級激光系統結構復雜，包含大量的反射鏡、透射鏡及其他光學器件，且光路傳輸距離較長，這些因素會引起光束波前畸變，并隨光束在激光系統中傳輸而惡化，最終影響系統的聚焦性能。
因此研究拍瓦激光系統脈沖的波前畸變的產生及演變規律是開展波前校正實驗的前提，對于拍瓦激光系統聚焦性能提升具有重要意義。
上海光機所強場激光物理國家重點實驗室梁曉燕研究員課題組基于上海強超短激光裝置(SULF)，通過在光路各重要節點處測量對應的波前畸變值，對整個系統波前起源及演化過程進行研究，分析得出波前畸變的產生原因及演化規律;同時還對系統中其他影響波前畸變的重要因素進行分析討論，具體包括鏡面裝夾應力、鈦寶石晶體以及離軸拋物面鏡調整姿態等因素對波前聚焦的影響，為SULF系統后期的波前校正及拍瓦激光裝置聚焦性能提升的研究奠定了基礎。
該課題組在SULF激光系統光路各重要節點處，搭建波前測量裝置，逐級測量了激光系統的波前，對激光系統的波前畸變的種類、來源、演化情況、各分系統節點波前畸變局部增大的原因進行分析。在實際系統中，前端光斑尺寸小，小口徑透鏡面型精度高，均保證波前畸變在可接受范圍內(PV值<0.5μm)。隨光束通過光學器件增多，光程增大，光斑口徑增大，及大口徑鏡面面型加工誤差增大，邊緣畸變顯著提升，均導致系統波前惡化加劇。當節點PV值>0.5μm后，增長速度大幅上升，增加量達到0.1μm~0.2μm，并進一步提升至0.25μm~1μm。考慮后期的聚焦要求，在畸變較大的150mm鈦寶石放大器后安置可變形鏡進行校正可以使系統的波前畸變控制在合理范圍。
圖2 激光系統內各測量點的波前演變示意圖
同時該課題組討論了控制光學鏡面表面應力以降低波前畸變的過程，定量測定并分析鈦寶石晶體對波前畸變的影響，證明了在一定條件下，大口徑鈦寶石晶體的面型分布可以直接體現在光束的波前相位分布上。整個系統的波前測量及對來源與演變的分析過程，對SULF 10PW激光系統的光路搭建及優化、波前校正和提升聚焦功率密度具有一定參考價值。
參考文獻： 中國光學期刊網
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