國產大尺寸鈦寶石晶體助力世界最強脈沖激光放大輸出

杭 寅，徐 民，張連翰，何明珠，蔡 雙，李善明，李曉清，梁曉燕，冷雨欣，李儒新，潘世烈，張方方

(1.中國科學院上海光學精密機械研究所強激光材料重點實驗室，上海 201800；2.中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室，上海 201800；3.中國科學院新疆理化技術研究所特殊環境功能材料與器件重點實驗室，烏魯木齊 830011)

鈦寶石激光晶體，全稱為摻鈦藍寶石激光晶體，化學式Ti∶Al2O3。鈦寶石晶體具有以下特點：優良的力學、熱學和化學性能，如高硬度(莫氏9級)、高熱導(～20 W/mK)、高抗熱沖擊品質因子和耐腐蝕等；寬帶吸收(400～600 nm)和寬帶發射(650～950 nm)特性。基于上述特性，鈦寶石被廣泛應用于調諧激光、超快激光和超強超短激光中。超強(拍瓦/PW, 1015W)超短(飛秒/fs, 10-15s)激光在激光高能粒子加速器、激光聚變、材料科學、核物理、等離子體物理、天體物理、高能物理、激光質子刀治療癌癥等領域具有重大的應用前景。大尺寸鈦寶石激光晶體是超強超短激光裝置的關鍵核心材料[1-2]。

要實現十拍瓦的高功率脈沖激光輸出，鈦寶石晶體口徑需達到200 mm以上。目前國際上制備優質大口徑鈦寶石晶體的主流技術是熱交換法晶體生長技術[3-4]。本文自主研發成功熱交換法生長大尺寸鈦寶石晶體設備(圖1)，通過優化溫場設計，調控激活離子摻雜濃度，完善晶體生長工藝參數(熱交換氣體流量、固液界面推移速率等)，生長出高完整性的鈦寶石晶體毛坯。晶體毛坯經過切割、滾圓、研磨、拋光加工，獲得了全球最大尺寸(φ235 mm×72 mm)的鈦寶石晶體元件(圖2)。利用Zygo激光干涉儀和應力雙折射儀表征了鈦寶石晶體的光學均勻性和應力雙折射，結果顯示：在180 mm口徑范圍內晶體光學均勻性為5.52×10-5(圖3)，應力雙折射為5.0 nm/cm。

φ235 mm口徑的大尺寸鈦寶石晶體元件經鍍膜后，被應用于上海超強超短激光實驗裝置(SULF)。鈦寶石主放大器輸出的納秒級啁啾脈沖最高能量達到339 J(圖4)[5]，激光脈沖寬度經過脈沖壓縮器壓縮后達到21 fs，從放大器到壓縮器輸出的總效率64%，壓縮后激光脈沖的最高峰值功率達10.3 PW，處于國際領先水平。

圖1 自主研發的熱交換法生長大尺寸鈦寶石晶體設備Fig.1 Self-developed HEM equipment for growing large sized Ti∶Al2O3 crystal

圖2 大尺寸鈦寶石晶體元件(φ235 mm×72 mm)Fig.2 Large sized Ti∶Al2O3 laser crystal with dimension of φ235 mm×72 mm

圖3 大尺寸鈦寶石晶體的光學均勻性Fig.3 Optical homogeneity of the large sized Ti∶Al2O3 laser crystal

圖4 鈦寶石放大器放大輸出能量與泵浦-信號轉換效率曲線Fig.4 Amplified output energy and pump-to-signal conversion efficiency with respect to the experimental pump energy