走近欧洲超强激光装置：ELI系列

【卷首语】啁啾脉冲放大技术的发明人Gérard Mourou教授从美国密歇根大学回到欧洲以后，建议欧盟建设一个100PW量级的超强激光装置，经过欧盟国家之间的讨论，最后决定在捷克、匈牙利和罗马尼亚三个欧洲经济发展第二梯度的国家建立科学应用侧重点不同的超强激光及用户装置。本公众号从本期开始将邀请在超强激光领域工作多年的激光科学家分别就ELI的三个子装置进行详细介绍。我们将分三期介绍ELI的激光装置参数，之后将陆续推出ELI激光物理实验介绍以及各子装置的招聘需求，敬请关注！

本期介绍的ELI-BEAMLINE激光装置位于捷克共和国【1】。该装置的激光系统分为独立的四束，命名方法简单粗暴，L1、L2、L3、L4分别对应：高重复频率15fs OPCPA系统、10Hz OPCPA拍瓦激光系统、 10Hz 钛宝石拍瓦激光系统、单发千焦拍瓦激光系统。下面将对这四个系统进行介绍。

L1激光束：光学参量放大系统（100mJ/15fs）

该激光基于短脉冲泵浦的OPCPA技术，采用同源种子的光同步方案，设计指标为100mJ/15fs/1kHz。系统的种子源是一台超宽谱的钛宝石振荡器，这台振荡器的特殊之处在于不仅可以提供OPA的宽带信号光，而且光谱可拓展到1030nm,为OPA的泵浦光提供种子源，自然的光同步方案保证了OPA过程所要求的严格时间同步，配合主动同步反馈控制，同步精度可达百阿秒量级。

OPA的泵浦激光采用Thin-disk技术，该技术是目前高重复频率高能量激光的首选，在激光器的热管理方面具有极大的优势，德国通快公司是这项核心技术的行业引领者，L1激光和通快的科学激光事业部合作一起研发这种性能优势的泵浦源。另外，需要着重介绍的一点是捷克在自主研发全半导体泵浦Yb激光领域投入巨大，并且达到国际领先水平，具体可以参考HiLASE项目网站：

http://www.hilase.cz/en/about-project/。

宽带信号光经过7级OPA放大以后，在真空中被压缩，最终达到设计指标：100mJ/15fs/1kHz。除了泵浦源的部分技术以外，该激光系统由捷克方自主研发，目前项目进展顺利，已经可以达到10mJ/11fs/1kHz的输出【2】。

L2激光束：拍瓦OPCA激光系统（1PW/20J/10Hz）

英国卢瑟福实验室在超强激光领域大名鼎鼎，尤其是其独特的大能量短脉冲OPCPA技术独领风骚，ELI-BEAMLINE的L2激光就是和卢瑟福实验室合作的。

众所周知，OPA技术最大的难点之一就是如何获取优质的泵浦源，因此L2激光束在泵浦源方面下足了功夫【3】，技术方案采用低温冷却全半导体泵浦的Yb:YAG放大方式，最终基频能量可达60J, 重复频率可达50Hz，尽显低温冷却、全半导体泵浦以及低斯托克斯亏损Yb介质的三重威力！

经过4级的OPA放大，信号脉冲能量可达26J,压缩以后能量18J，脉冲宽度15fs, 脉冲对比度达1:1011，这是产生高品质激光加速质子源的最理想工具。

L3激光束：拍瓦钛宝石激光系统 (1PW/10Hz/30J）

坊间传闻，由于美国劳伦斯伯克利实验室购买了法国Thales的PW激光系统，美国方面不服，游说欧盟购买一台高重复频率的PW激光器，这便是由利弗莫尔实验室建造的ELI-BEAMLINE L3激光束。这可能仅仅是个八卦而已，因为利弗莫尔实验室如果搞产业化激光器的话，绝对秒杀世界上任何一个商业化公司，其实力来建设区区一台PW激光器绝对是小case【4】。

该激光器的设计指标是30J/1PW/10Hz, 其最大的亮点还是泵浦源：采用氦气冷却和全半导体泵浦技术，增益介质选择钕玻璃，其原因大概是基于NIF的成熟玻璃激光器放大技术。该泵浦源的前级使用的是美国CEO公司DPSS激光。

PW激光系统的前级使用一台前Femtolasers公司的钛宝石kHz放大器, 辅助XPW技术进行时间净化和光谱展宽，后续的展宽放大和压缩均采用成熟商用化技术，可靠性高。

L4激光束：Nd:glass/OPCPA混合放大 (10PW/130fs/单发)

美国德克萨斯大学奥斯特分校的Todd Ditmire既是激光领域的重量级人物，也是超强激光产业化的先驱，其创立的National Energetics公司成功拿下ELI激光大单，建造一台10PW、千焦量级的飞秒激光装置，这便是Beamline 的L4激光。National Energetics和立陶宛的EKSPLA公司合作建设这个激光系统，美国的肖特公司和利弗莫尔实验室也参与其中，整合超强激光设计、闪光灯泵浦、钕玻璃材料以及OPCPA等各方优势资源，最终为用户提供一台优质的激光系统。

该激光系统有两个工作模式：

（1）10PW/单发模式：整个系统的所有能量都为产生10PW峰值功率服务，压缩之前的纳秒啁啾脉冲可以单独导出服务于特定实验。该模式下的种子激光为一台宽带飞秒振荡器，首先进行皮秒的OPCPA预防大，展宽到纳秒量级以后继续参量放大，最终使用超大口径闪光灯泵浦的板状钕玻璃放大到kJ量级，压缩器使用介质膜光栅。

（2）2kJ/窄带纳秒输出模式：该束线类似于NIF或者中国的神光装置。此模式的前端是一台独立的激光系统，可实现时间和空间模式的灵活变换，保证激光系统的安全运转，服务于不同类型的基础物理实验。

【编后语】单从ELI-BEAMLINE子装置来看，其融合了国际上最前沿的激光技术: 光参量放大、全半导体泵浦、低温冷却、薄片放大器等，这些技术的使用必将促进整个超快激光领域的飞速发展。根据作者多年超强激光从业经验，这些激光系统的日常维护和稳定运行将具有极大的挑战，对激光科学家和工程师的需求量也会不断提高，这对有志于从事超强激光事业的科研人员来说是一个很好的机会。

ELI把三个子装置放在欧洲次发达国家的目的之一可能是为了“技术扶贫，” 但是综上所述，主要激光系统的核心技术均来自德国、美国、法国和英国，这其实变向刺激了这些发达国家的科技发展，对主办国的科技发展促进作用有限。这对中国发展超强激光技术也具有参考意义，自给自足才能具有长期可持续性，可喜的是国内上海光机所、中科院物理所、清华大学以及一批优秀的归国人员正在为发展中国自己的超强激光技术不懈努力，祝他们成功！

参考文献

[1] ELI-BEAMLINE网站：https://www.eli-beams.eu

[2]František Batysta, Roman Antipenkov, Jakub Novák, Jonathan T. Green, Jack A. Naylon, Jakub Horáček, Martin Horáček, Zbyněk Hubka, Robert Boge, Tomáš Mazanec, Bedřich Himmel, Pavel Bakule, and Bedřich Rus, “Broadband OPCPA system with 11 mJ output at 1 kHz, compressible to 12 fs,” Opt. Express 24, 17843-17848 (2016)

[3]Saumyabrata Banerjee, Paul D. Mason, Klaus Ertel, P. Jonathan Phillips, Mariastefania De Vido, Oleg Chekhlov, Martin Divoky, Jan Pilar, Jodie Smith, Thomas Butcher, Andrew Lintern, Steph Tomlinson, Waseem Shaikh, Chris Hooker, Antonio Lucianetti, Cristina Hernandez-Gomez, Tomas Mocek, Chris Edwards, and John L. Collier, “100  J-level nanosecond pulsed diode pumped solid state laser,” Opt. Lett. 41, 2089-2092 (2016)