国产大尺寸钛宝石晶体助力世界最强脉冲激光放大输出

杭 寅，徐 民，张连翰，何明珠，蔡 双，李善明，李晓清，梁晓燕，冷雨欣，李儒新，潘世烈，张方方

(1.中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800；2.中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800；3.中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室，乌鲁木齐 830011)

钛宝石激光晶体，全称为掺钛蓝宝石激光晶体，化学式Ti∶Al2O3。钛宝石晶体具有以下特点：优良的力学、热学和化学性能，如高硬度(莫氏9级)、高热导(～20 W/mK)、高抗热冲击品质因子和耐腐蚀等；宽带吸收(400～600 nm)和宽带发射(650～950 nm)特性。基于上述特性，钛宝石被广泛应用于调谐激光、超快激光和超强超短激光中。超强(拍瓦/PW, 1015W)超短(飞秒/fs, 10-15s)激光在激光高能粒子加速器、激光聚变、材料科学、核物理、等离子体物理、天体物理、高能物理、激光质子刀治疗癌症等领域具有重大的应用前景。大尺寸钛宝石激光晶体是超强超短激光装置的关键核心材料[1-2]。

要实现十拍瓦的高功率脉冲激光输出，钛宝石晶体口径需达到200 mm以上。目前国际上制备优质大口径钛宝石晶体的主流技术是热交换法晶体生长技术[3-4]。本文自主研发成功热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备(图1)，通过优化温场设计，调控激活离子掺杂浓度，完善晶体生长工艺参数(热交换气体流量、固液界面推移速率等)，生长出高完整性的钛宝石晶体毛坯。晶体毛坯经过切割、滚圆、研磨、抛光加工，获得了全球最大尺寸(φ235 mm×72 mm)的钛宝石晶体元件(图2)。利用Zygo激光干涉仪和应力双折射仪表征了钛宝石晶体的光学均匀性和应力双折射，结果显示：在180 mm口径范围内晶体光学均匀性为5.52×10-5(图3)，应力双折射为5.0 nm/cm。

φ235 mm口径的大尺寸钛宝石晶体元件经镀膜后，被应用于上海超强超短激光实验装置(SULF)。钛宝石主放大器输出的纳秒级啁啾脉冲最高能量达到339 J(图4)[5]，激光脉冲宽度经过脉冲压缩器压缩后达到21 fs，从放大器到压缩器输出的总效率64%，压缩后激光脉冲的最高峰值功率达10.3 PW，处于国际领先水平。

图1 自主研发的热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备Fig.1 Self-developed HEM equipment for growing large sized Ti∶Al2O3 crystal

图2 大尺寸钛宝石晶体元件(φ235 mm×72 mm)Fig.2 Large sized Ti∶Al2O3 laser crystal with dimension of φ235 mm×72 mm

图3 大尺寸钛宝石晶体的光学均匀性Fig.3 Optical homogeneity of the large sized Ti∶Al2O3 laser crystal

图4 钛宝石放大器放大输出能量与泵浦-信号转换效率曲线Fig.4 Amplified output energy and pump-to-signal conversion efficiency with respect to the experimental pump energy