基于大基模體積的10 mJ飛秒鈦寶石激光再生放大器?

楊帥帥 滕浩 何鵬 黃杭東 王兆華 董全力 魏志義

1)(魯東大學物理與光電工程學院,煙臺 260405)

2)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家實驗室,北京 100190)

3)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710126)

4)(中國科學院大學物理學院,北京 100049)

基于大基模體積的10 mJ飛秒鈦寶石激光再生放大器?

楊帥帥1)2)滕浩2)?何鵬3)黃杭東3)王兆華2)董全力1)?魏志義2)4)?

1)(魯東大學物理與光電工程學院,煙臺 260405)

2)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家實驗室,北京 100190)

3)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710126)

4)(中國科學院大學物理學院,北京 100049)

(2017年1月25日收到;2017年4月20日收到修改稿)

文章報導了基于大基模體積的高能量飛秒鈦寶石激光再生放大器的設計與實驗研究,在重復頻率10 Hz、抽運能量60 mJ的激勵下,得到了單脈沖能量17.4 mJ的種子脈沖放大結果,壓縮后的脈沖寬度為40.6 fs,能量為13.9 mJ.借助于此大基模體積再生腔,僅增加一級多通放大,實現了峰值功率達1.9 TW飛秒激光脈沖輸出.結果表明,大模體積再生放大不僅降低了后續放大對抽運能量的要求,也可以單獨壓縮實現再生腔直接輸出10 mJ量級的飛秒激光脈沖,是大能量高峰值功率飛秒激光系統的優質前端.

∶飛秒激光,啁啾脈沖放大,再生放大器,太瓦

PACS∶42.60.—v,42.60.By,42.60.Da,42.65.ReDOI∶10.7498/aps.66.104209

1 引 言

隨著克爾透鏡鎖模飛秒鈦寶石激光的實現[1]以及啁啾脈沖放大(chirped-pulse amplification,CPA)技術[2]的發明,飛秒激光在脈沖寬度不斷變窄的同時,峰值功率也在不斷的提高,峰值功率超過拍瓦(PW)的超強激光已經在一些實驗室實現[3?5].

在常規的CPA方案中,飛秒振蕩器輸出的種子脈沖能量只有納焦耳量級,其放大過程要經歷指數增長和線性增長兩個階段[6,7].指數增長階段是將種子脈沖從納焦耳提升到幾百微焦耳或毫焦耳量級,其增長約106倍.為了實現指數增長,必須將鈦寶石晶體中的激光光斑控制得非常小,激光在晶體中的能流密度非常高;線性增長階段是將能量從毫焦放大到焦耳甚至更高,該階段采用大能量抽運,晶體上的光斑也較大,放大倍數為幾倍到幾十倍.指數增長階段通常在激光放大中被稱為預放大,線性增長階段被稱為大能量放大.

預放大又分為多通預放大和再生放大[8].再生放大由于是振蕩腔結構,其輸出的光束質量高,穩定性和指向性好,而且還可以隔離振蕩器和后續放大器,壓縮后輸出的光束質量與振蕩器種子光無關;多通預放大的光束質量依賴種子光源,由于放大程數少,在晶體上的光斑控制得非常小,容易損傷晶體,但多通放大結構簡單,易于操作,更適合用于后面的線性增長大能量放大.

預放大是種子脈沖與后續大能量放大的橋梁,其輸出激光品質的好壞直接影響整體放大效率和光束質量.大能量輸出的預放大脈沖可以大大降低線性放大器對抽運能量的要求,特別是雙CPA放大方案中高對比度交叉偏振濾波(cross-polarized wave generation,XPW)技術[9,10]的轉換效率約百分之十,只有提高壓縮脈沖的能量才能夠輸出更高能量的高對比度種子脈沖.多通預放大由于放大程數少,放大后脈沖能量通常較低,而再生放大可以控制腔模來獲得大能量的輸出,所以研究大基模體積高能量再生放大是非常有意義的.

圖1 已報道的不同重復頻率的鈦寶石飛秒再生腔輸出能量,本文結果用紅色星號表示Fig.1.Overview of the state of art of output energy from regenerative amplifier at different repetition rate,the results in this letter is highlighted in red star.

鈦寶石晶體的飛秒再生放大器,根據不同的應用和不同重復頻率來進行設計,大多數再生放大器一般都工作在幾個毫焦耳.我們將已發表的再生放大器的輸出能量按照不同重復頻率整理在圖1中,可以看出高重復頻率(1—10 kHz)的再生放大器由于晶體熱透鏡效應的影響,輸出脈沖能量普遍比較低,基本維持在1—3 mJ,在特殊冷卻方式和補償熱透鏡情況下,最高能量為6.5 mJ[11?19].低重頻再生放大器由于每發之間持續時間長,熱量有足夠長的時間被帶走,不會出現高重復頻率工作時形成熱堆積,所以可以不考慮熱效應,其輸出能量相對較高,但大多輸出能量也不足10 mJ[20?29].文獻[30]報道了重復頻率為5 Hz的再生放大能量為13 mJ.在文獻[31,32]中分別報道了重復頻率10 Hz的再生放大輸出能量為20 mJ,其中文獻[31]中采用雙晶體結構的再生放大器,腔長非常長,結構復雜,調節難度也較大,且抽運能量為150 mJ,光-光轉換效率較低;文獻[32]中報道的再生腔放大結果是雙波段放大的能量,而單一波段輸出也只有10 mJ.對于50 Hz再生放大也報道過輸出能量為19 mJ的放大結果[33],但其輸出脈沖的光譜較窄,加入光譜整形后也只有12 mJ的激光輸出.相比于前述已經報道的這些再生放大器,我們設計的再生放大器采用了增大腔內模場體積的方法來提高能量輸出,僅一塊鈦寶石晶體,腔長短、結構簡單易于維護,在60 mJ抽運能量下放大后的脈沖能量為17.4 mJ,其光譜半高寬為35 nm,壓縮后的能量輸出為13.9 mJ,脈沖寬度為40.6 fs,是大能量太瓦級飛秒系統的優質前端.

2 大基模體積再生放大的設計和實驗結果

大基模體積再生腔型的設計中首先要考慮的是腔模光斑尺寸是否支持高能量激光脈沖的放大,以及抽運激光和種子光光斑與腔內模式的匹配[34].根據需要放大的能量,腔內鈦寶石晶體中光斑大小的控制既要保證其能流密度大于鈦寶石晶體飽和能流密度(～0.8 J/cm2),又要確保其小于晶體的損傷閾值(10 J/cm2),只有合適的光斑才能保證再生腔內放大后的能量既處于過飽和狀態又不至于損傷晶體.再生腔內的其他光學元件則只需要考慮光斑盡可能大,能流密度相對低,讓其工作在安全區域.

高重復頻率比如kHz再生放大器[17,18],抽運激光通常采用YLF調Q倍頻激光,由于該激光脈沖寬度寬(～200 ns)而且能量低,耦合到鈦寶石晶體上采用緊聚焦方式,所以再生腔內的腔模較小,放大后的能量較低.對于低重復頻率如10 Hz的再生放大器[29],抽運激光采用燈泵532 nm激光,由于其能量高、脈沖寬度窄(～10 ns),所以聚焦在鈦寶石晶體上的光斑較大,適合大腔模體積的高能量再生放大器.

如圖2(b)所示為大基模體積再生腔結構圖,其腔型為線性穩定腔,由兩端鏡M1和M4,以及腔內鈦寶石晶體(Ti∶S)和一個普克爾盒(PC)組成,其中M1為凹面反射鏡,曲率半徑為10 m,M4為平面反射鏡.鈦寶石距離M4為30 cm,PC距離M1為20 cm.總腔長為1.9 m,激光脈沖往返一次的時間間隔為12.7 ns.由于激光器運行在低重復頻率,鈦寶石晶體上的熱透鏡效應可以不考慮,所以整個腔內光斑的分布如圖2(a)所示,腔內光斑大小從M1到M4是逐漸下降的,但最小的光斑(M4)半徑約1 mm,M1上的光斑半徑則為1.1 mm,其腔內光斑明顯大于常規的高重復頻率再生腔,所以可以支持大能量激光脈沖的放大.

在前述腔型計算的基礎上,實驗室搭建的實際光路圖如圖3所示,包括飛秒振蕩器、展寬器、大基模體積的再生放大器和壓縮器.

圖2 (網刊彩色)大基模體積再生腔腔內模式分布(a)和結構圖(b)(M1,M4為腔鏡;PC為普克爾盒;Ti:S為鈦寶石晶體)Fig.2.(color online)Radius of TEM00mode in large mode size cavity(a)and scheme of corresponding cavity(M1,M4 are end mirrors,PC is pockels cell,Ti:S is Ti:sapphire crystal).

圖3 (網刊彩色)大基模體積再生放大系統光路圖(ISO代表隔離器;G代表光柵;C代表條形鏡;P代表格蘭棱鏡;FR代表旋光器;Ti:Sa代表鈦寶石;PC代表普克爾盒;M代表腔鏡;L代表透鏡)Fig.3.(color online)Optical layout of the regenerative amplifier with large mode size.

種子激光采用啁啾鏡色散補償的鈦寶石振蕩器[35](型號FlashWave-30,鹽城物科光電有限公司),該振蕩器輸出功率為350 mW,重復頻率為83 MHz,光譜半高全寬85 nm,脈沖寬度小于20 fs.經過Martinez展寬器[36]后脈沖寬度為185 ps,光譜寬度為60 nm.展寬后的脈沖通過格蘭棱鏡(P1)、法拉第旋光器(FR)和半波片,偏振態由P偏振變為S偏振,經過格蘭棱鏡(P2)注入到再生腔中.再生腔中普克爾盒晶體處于靜態1/4波片狀態,工作時再加1/4波片高壓實現單脈沖選擇,單脈沖被鎖在再生腔內振蕩并放大,直到去掉高壓電源后放大脈沖的偏振態又變回S偏振,由格蘭棱鏡(P2)從腔內導出.再生腔的抽運激光采用的是燈泵Nd∶YAG電光調Q納秒脈沖激光的倍頻激光(532 nm),其輸出總能量為450 mJ,脈沖寬度約為8 ns.用一片半波片和一片薄膜偏振片控制再生腔抽運激光的能量.抽運激光通過一焦距為600 mm的凸透鏡聚焦在鈦寶石晶體上,鈦寶石晶體尺寸為6 mm×6 mm×20 mm,品質因數(figure of merit,FOM)＞150,對532 nm激光的吸收大于90%,端面布儒斯特角度切割.為了避免抽運激光聚焦后損傷鈦寶石晶體,晶體放置在焦點之前,抽運激光聚焦在晶體中的光斑控制在2 mm,抽運激光能流密度為1.5 J/cm2,遠低于鈦寶石的損傷閾值.由于抽運能量比較低,鈦寶石晶體采用自然冷卻.

圖4 (網刊彩色)再生腔中種子脈沖注入后的建立時間和倒空脈沖Fig.4.(color online)Built-up time of amplified seed in the cavity(red)and dumped pulse(black).

展寬后的種子激光注入再生腔后,種子脈沖在再生腔內的建立時間過程見圖4.經過優化腔內激光建立時間,將PC的倒出時間選擇在放大峰值的第二個脈沖處,獲得了穩定的放大脈沖輸出.我們首先研究了再生腔放大輸出能量與抽運激光能量的關系,如圖5所示,放大能量隨抽運激光能量是線性增長的,但增長曲線在高能量抽運下低于模擬結果,其原因是高能量抽運下會有一定的熱積累效應,導致放大效率降低.在實驗中經過優化,在能量為60 mJ抽運激光激勵下,再生腔放大后的單脈沖能量為17.4 mJ,光光轉換效率為29.0%.

用光譜儀測量放大后脈沖光譜,中心波長為790 nm,光譜寬度為35 nm,如圖6所示,不同輸出能量下,脈沖的光譜分布幾乎沒變化.相對于種子脈沖,再生放大激光脈沖光譜由于增益窄化效應而變窄[37],但35 nm的譜寬也足夠支持小于40 fs的激光脈沖輸出.

圖5 (網刊彩色)大基模體積再生腔能量輸出曲線Fig.5.(color online)Output energy as a function of pump energy.

圖6 (網刊彩色)種子光和再生腔有種子注入的光譜曲線Fig.6.(color online)Spectrum of seeding laser pulses and amplified laser pulses.

再生放大后的激光脈沖經過擴束準直后進入壓縮器進行壓縮.壓縮器由兩塊光柵常數為1500 lp/mm的光柵和爬低鏡組成,經過優化入射角和光柵對之間的距離,壓縮后的脈沖寬度采用商品化自參考光譜干涉的自相關儀(Wizzler-800,Fastlite公司)進行測量,其脈沖寬度為40.6 fs,如圖7(a)所示.圖7(b)為反演出的脈沖光譜相位分布曲線,可以看出相位分布接近直線,壓縮后的能量為13.9 mJ.

壓縮后的脈沖還未能完全達到變換極限脈寬,主要原因是由于壓縮器沒能完全補償展寬器和再生腔內材料引入的高階色散.展寬器和壓縮器引入的色散可通過光線追跡法模擬計算,再生腔內材料的二階色散和三階色散可根據以下公式給出∶

其中(1)和(2)式中?為光頻相位,ω為光頻,λ為波長,l為材料長度,c為光速,n(λ)為材料的折射率可由賽爾邁耶(Sellmeier)公式給出.在最優壓縮角度下得到模擬計算結果如表1所列,追跡波長選取中心波長790 nm.可見通過優化壓縮器光柵入射角和光柵間距,在完全補償二階色散基礎上,還有一部分三階色散未能完全補償,故未實現壓縮至變換極限脈寬,后續可在展寬器前加入色散補償的聲光調制器(Dazzler)補償色散,可實現更短脈寬的輸出.

圖7 (網刊彩色)再生腔輸出脈沖壓縮后的脈沖寬度(a),光譜相位分布曲線(b)Fig.7.(color online)(a)The pulse duration of compressed pulses directly from regenerative amplifier and(b)corresponding distribution of spectral phase.

表1 系統中各部分色散列表Table 1.Lists of dispersion in the CPA laser system.

圖8所示為壓縮后的激光脈沖光束質量,采用M2因子儀器測量結果為1.28.這表明我們設計的大基模體積再生放大器輸出的激光具有較好的光束質量.

圖8 (網刊彩色)壓縮后光束質量Fig.8.(color online)The beam quality(M2)of laser beam from the regenerative amplifier and compressor

3 基于大基模體積再生放大的TW激光輸出

以上述大能量再生放大器為基礎,將再生放大器輸出的激光經過擴束準直后注入到六通放大器進一步放大.六通放大器是采用Bowtie對稱結構,將532 nm抽運激光抽運再生放大器的剩余能量分成兩路,分別通過真空像傳遞管縮束后從兩端對稱抽運鈦寶石晶體,經過優化后,脈沖能量放大到110 mJ.放大后的脈沖再次注入上述的壓縮器中進行壓縮,經過測量脈沖寬度為43 fs,壓縮后的能量為81.4 mJ,對應的峰值功率為1.9 TW.能量穩定性經過測量為2.15%(RMS),光束質量(M2)為1.5.

4 結 論

本文報道了一種具有輸出能量大于10 mJ的大基模體積飛秒鈦寶石激光再生放大方案,在60 mJ抽運能量下,得到了放大能量為17.4 mJ的結果,光光轉換效率為29%,壓縮后實現了能量為13.9 mJ、脈沖寬度為40.6 fs的飛秒激光輸出.在此基礎上,通過增加一級多通放大器,建成一臺緊湊型太瓦級飛秒鈦寶石激光裝置,壓縮后的輸出能量為81.4 mJ,脈沖寬度為43 fs,對應的峰值功率為1.9 TW,能量穩定性為2.15%.該結果表明大基模體積的高能量再生放大器不僅可以有效降低后續放大級對抽運能量的要求,而且具有光束質量好,結構緊湊、穩定等優點,是開展強場物理實驗、超快科學特別是戶外飛秒激光大氣傳輸等離子體通道等研究工作[38?41]的優質光源.

[1]Spence D E,Kean P N,Sibbett W 1991 Opt.Lett.16 42

[2]Strickland D,Mourou G 1985 Opt.Commun.55 219

[3]Wang Z H,Liu C,Shen Z W,Zhang Q,Teng H,Wei Z Y 2011 Opt.Lett.36 3194

[4]Yu T J,Lee S K,Sung J H,Yoon J W,Jeong T M,Lee J 2012 Opt.Express 20 10807

[5]Chu Y X,Gan Z B,Liang X Y,Yu L H,Lu X M,Wang C,Wang X L,Xu L,Lu H H,Yin D J,Leng Y X,Li R X,Xu Z Z 2015 Opt.Lett.40 5011

[6]Frantz L M,Nodvik J S 1963 J.Appl.Phys.34 2346

[7]Lowdermilk W H,Murray J E 1980 J.Appl.Phys.51 2436

[8]Koechner W 2005 Solid-State Laser Engineering(6th Ed.)(Berlin:Springer)p156

[9]Yanovsky V,Kalinchenko G.,Reed S,Rousseau P,Chvykov V 2007 Acta Horticulturae 18 193

[10]Liebetrau H,Hornung M,Keppler S,Hellwing M,Kessler A,Schorchtf2016 Opt.Lett.41 3006

[11]Takeuchi S,Kobayashi T 1994 Opt.Commun.109 518

[12]Nabekawa Y,Kuramoto Y,Togashi T,Sekikawa T,Watanabe S 1998 Opt.Lett.23 1384

[13]Zhang J,Suzuki M,Baba M,Wei Z,Wang Z,Wang P,Zhang J,Zheng J,Kuroda H 2007 Appl.Opt.46 2498

[14]Chen S,Chen S,Chini M,Wang H,Yun C,Mashiko H,Wu Y,Chang Z 2009 Appl.Opt.48 5692

[15]Takada H,Torizuka K 2006 IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics 12 201

[16]Amani E A,Nabekawa Y,Ishikawa K L,Takahashi H,Midorikawa K 2008 Opt.Express 16 13431

[17]Shen Z W,Wang Z H,Fan H T,Qin S,Teng H,He P,Wei Z Y 2014 Acta Phys.Sin.63 104211(in Chinese)[沈忠偉,王兆華,范海濤,秦爽,滕浩,何鵬,魏志義2014物理學報63 104211]

[18]He P,Teng H,Zhang N H,Liu Y Y,Wang Z H,Wei Z Y 2016 Acta Phys.Sin.65 244201(in Chinese)[何鵬,滕浩,張寧華,劉陽陽,王兆華,魏志義 2016物理學報 65 244201]

[19]Matras G,Huot N,Baubeau E,Audouard E 2007 Opt.Express 15 7528

[20]Xu Z,Yang X,Vlgroux L,Saviot F,Zhou J,Zhang Z,Wang Y,Zhang W 2000 Science China Mathematics 43 533

[21]Leng Y X,Lin L H,Xu Z Z 2002 Acta Optica Sinica 22 170(in Chinese)[冷雨欣,林禮煌,徐至展 2002光學學報22 170]

[22]Itatani J,Faure J,Nantel M,Mourou G,Watanabe S 1998 Opt.Commun.148 70

[23]Barty C P,Guo T,Le B C,Raksi F,Rose-Petruck C,Squier J,Wilson K R,Yakovlev V V,Yamakawa K 1996 Opt.Lett.21 668

[24]Tokita S,Kobayashi T 2008 Opt.Express 16 14875

[25]Kiriyama H,Inoue N,Akahane Y,Yamakawa K 2006 Opt.Express 14 438

[26]Li C,Lu X M,Wang C,Leng Y X,Liang X Y,Li R X,Xu Z Z 2007 Chin.Phys.Lett.24 1276

[27]Huang X J,Peng H S,Wei X F,Wang X D,Zeng X M,Zhou K N,Guo Y,Liu L Q,Wang X,Zhu Q H,Lin D H,Tang X D,Zhang X M,Chu X L,Wang Q Y 2005 High Power Laser and Particle Beams 17 1685(in Chinese)[黃小軍,彭翰生,魏曉峰,王曉東,曾小明,周凱南,郭儀,劉蘭琴,王逍,朱啟華,林東暉,唐曉東,張小民,楚曉亮,王清月2005強激光與粒子束17 1685]

[28]Nabekawa Y,Eilanlou A A,Furukawa Y,Ishikawa K L,Takahashi H,Midorikawa K 2010 Appl.Phys.B 101 523

[29]Zhang W,Teng H,Wang Z H,Shen Z W,Liu C,Wei Z Y 2013 Acta Phys.Sin.62 104211(in Chinese)[張偉,滕浩,王兆華,沈忠偉,劉成,魏志義2013物理學報62 104211]

[30]Ohmae G,Yagi T 2000 Proceedings of SPIE—The International Society for Optical Engineering Osaka,Japan,November 01,1999 3886 407

[31]Liu C,Wang Z H,Shen Z W,Zhang W,Teng H,Wei Z Y 2013 Acta Phys.Sin.62 094209(in Chinese)[劉成,王兆華,沈忠偉,張偉,滕浩,魏志義2013物理學報62 094209]

[32]Yamakawa K,Barty C P 2003 Opt.Lett.28 2402

[33]Ito S,Ishikawa H,Miura T,Takasago K,Endo A,Torizuka K 2003 Appl.Phys.B 76 497

[34]Shang L J 2003 Acta Phys.Sin.52 1408(in Chinese)[尚連聚 2003物理學報52 1408]

[35]Tian J R,Han H N,Zhao Y Y,Wang P,Zhang W,Wei Z Y 2006 Acta Phys.Sin.55 4725(in Chinese)[田金榮,韓海年,趙研英,王鵬,張煒,魏志義2006物理學報55 4725]

[36]Song Y R,Zhang Z G,Wang Q Y 2003 Acta Phys.Sin.52 581(in Chinese)[宋晏蓉,張志剛,王清月2003物理學報52 581]

[37]Cao D M,Wei Z Y,Teng H,Xia J F,Zhang J,Hou X 2000 Acta Phys.Sin.49 1202(in Chinese)[曹東茂, 魏志義,滕浩,夏江帆,張杰,侯洵2000物理學報49 1202]

[38]Zhou J,Peatross J,Murnane M M,Kapteyn H C,Christov I P 1996 Phys.Rev.Lett.76 752

[39]Remington B A,Drake R P,Takabe H,Arnett D 1999 Phys.Plasmas 7 1641

[40]Clark E L,Krushelnick K,Zepf M,BegfN,Tatarakis M,Machacek A,Santala M I,Watts I,Norreys P A,Dangor A E 2000 Phys.Rev.Lett.85 1654

[41]Zhang J,Hao Z Q,Yuan X H,Zheng Z Y,Zhang Z,Yu J 2006 Chinese Journalof Quantum Electronics 23 282(in Chinese)[張杰,郝作強,遠曉輝,鄭志遠,張喆,俞進2006量子電子學報23 282]

PACS∶42.60.—v,42.60.By,42.60.Da,42.65.ReDOI∶10.7498/aps.66.104209

*Project supported by the Special Foundation of State Major Scientific Instrument and Equipment Development of China(Grant No.2012YQ12004701),the State Key Development Program for Basic Research of China(Grant No.2013CB922401),and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11474002,11674386).

?Corresponding author.E-mail:hteng@iphy.ac.cn;qldong@iphy.ac.cn;zywei@iphy.ac.cn

10 mJ femtosecond Ti∶Sapphire regenerative amplifier with large mode size?

Yang Shuai-Shuai1)2)Teng Hao2)?He Peng3)Huang Hang-Dong3)Wang Zhao-Hua2)Dong Quan-Li1)?Wei Zhi-Yi2)4)?
1)(Schoolof Physics and Optoelectronic Engineering,Ludong University,Yantai 260405,China)
2)(Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics,Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
3)(Schoolof Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710126,China)
4)(Schoolof Physical Sciences,University of Chinese Academy Sciences,Beijing 100049,China)

25 January 2017;revised manuscript

20 April 2017)

With advent of chirped-pulse amplification,the peak power of femtosecond laser pulse was reached to petawatt(PW)or hundreds of terawatt(TW).Many progresses of high- field physics and ultrafast dynamics in matter are achieved using TW or PW laser.Pre-amplifier is an exponential growth amplifier which is also a bridge between oscillator and power amplifier.The best choice of pre-amplifier is amplification in regenerative cavity,due to its high stability and beam quality.The quality of pre-amplified laser pulse is significant to efficiency and beam quality of the successive power amplifier.High energy pre-amplifier with high beam quality will reduce the requirement of pump laser infinal power amplifier.But typical regenerative amplifier only support low output energy of few millijoule.Higher energy from only one regenerative amplifier is crucial to whole laser system.

High energy regenerative amplifier can be achieved by increasing the size of TEM00in cavity.A new femtosecond Ti∶sapphire regenerative amplifier with large mode size was demonstrated in this letter.The regenerative cavity is designed as stable linear resonator in which end mirrors are planar,the diameter of beam waist in Ti∶sapphire crystal is larger than 2 mm,which can support high energy pulse amplified in cavity.By matching the focal spot of pump laser with the size of mode and optimization of cavity,the output laser energy up to 17.4 mJ was achieved under the pump energy of 60 mJ at repetition rate of 10 Hz,which corresponds to the efficiency of 29%.The amplified laser pulse from regenerative amplifier was compressed in a grating-pair compressor.By carefully alignment of incident angle and distance between the two gratings of compressor,the shortest pulses duration of 40.6 fs and energy of 13.9 mJ are obtained,which is a little bit longer than Fourier-transform limit based on spectrum of laser.The dispersion in the CPA laser system was also analyzed,after optimization of compressor,there are still high order dispersions uncompensated,which results in the duration of compressed pulses longer than Fourier-transform limit.

Based on this large mode size regenerative amplifier,peak power of 1.9 TW laser pulses which compressed pulse energy of 81.4 mJ in 43 fs were also further realized by following only one stage of multipass amplifier.The beam quality(M2)was measured to be 1.6 and 1.5 in X and Y directions respectively,and the energy stability is 2.15%(rms).The results show that this large mode size regenerative amplifier is an ideal choice of pre-amplifier in TW laser system.

∶femtosecond laser,chirped-pulse amplification,regenerative amplifier,terawatt

?國家重大科學儀器設備開發專項基金(批準號:2012YQ12004701)、國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2013CB922401)和國家自然科學基金(批準號:11474002,11674386)資助的課題.

?通信作者.E-mail:hteng@iphy.ac.cn;qldong@iphy.ac.cn;zywei@iphy.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society