红外单频单脉冲激光器

中国计量科学研究院超短脉冲激光测量研究取得突破性进展　　我国飞秒脉冲激光参数准确度国际领先　　日前，由中国计量科学研究院承担的国家“十一五”科技支撑课题“飞秒脉冲激光参数测量新技术研究”通过专家验收。该课题自主研制的飞秒脉冲自相关仪和飞秒脉冲光谱相位相干仪实现了飞秒脉冲激光参数的准确测量，课题组提出的飞秒脉冲光谱相位还原方法降低了传统方法的测量不确定度，将我国飞秒脉冲激光参数的准确度提高到国际领先水平。　　飞秒是时间单位，1飞秒相当于10-15秒。它有多快呢?我们知道，光速是1秒钟30万公里，而在一飞秒内，光只能走0.3微米，相当于一根头发丝的1%。飞秒脉冲是人类目前在实验室条件下所能获得的在可见光至近红外波段的最短脉冲。它以其独具的持续时间极短、峰值功率极高、光谱宽度极宽等优点，在物理学、生物学、化学、光通讯、外科医疗、精细加工制造及超小器械制造等领域得到广泛的应用。如何准确地测量超短脉冲信息已成为飞秒脉冲研究领域迫切需要解决的难题。　　该课题成功解决了这一技术难题，实现了超短脉冲时域参数的精确测量，对于超短脉冲的更深一步的研究和应用具有重要意义。多家国际同行研究单位引用课题组提出的新技术成功解决了超短脉冲研究和应用中存在的技术问题，极大地提升了我国在超短脉冲激光参数测量领域的国际地位。　　据课题负责人邓玉强博士介绍，课题组在成功解决飞秒级超短脉冲参数测量的基础上，又展开了皮秒级超短脉冲测量的研究。皮秒脉冲处于纳秒脉冲和飞秒脉冲之间的带隙(1皮秒=10-12秒)，它的光谱相对较窄，难以使用测量飞秒脉冲的光谱干涉技术，而传统的自相关仪器又存在量程范围小，需要标定校准，测量准确度不高等诸多问题。为解决这些问题，课题团队又自主研发了一种新技术和装置，实现了亚十飞秒(10-14秒)至数百皮秒(10-10秒)宽度范围内超短脉冲的精确测量，能得到强度自相关和条纹分辨自相关两种结果。该装置可实现测量的自校准，不仅提高了皮秒级激光脉冲宽度的测量准确度，而且扩大了超短脉冲参数测量的量程，进一步提高了我国超短脉冲激光时域参数的测量能力。

近日，上海光源线站工程取得关键进展。储存环内安装的国内首台无源超导三次谐波腔模组将束团长度拉伸约3倍，结合束团纯化系统，实现了混合束团填充模式下单束团流强高于20 mA（图1），支持快速X光成像线站在国内首次成功实现了基于同步辐射光源的单脉冲超快硬X射线成像，其成像时间分辨率达到60 ps，并被应用到气泡动力学的超快测量，清晰观测到在激光烧蚀后不同时刻水中气泡的形核、长大、破裂以及射流过程的超瞬态图像，尤其是清晰观测到传统光学诊断手段无法观测到的微射流过程（图2），为气泡动力学这一经典问题的深入研究带来了崭新的手段。 图1. 超导三次谐波腔的安装、就位和带束调试图2. 单脉冲X射线超快成像在激光加载后不同时刻（15 μs、20 μs、30 μs、40 μs、50 μs）获得的水中气泡的瞬态图像并观测到气泡中的射流现象上海光源储存环采用被动式的超导高次谐波腔，运行频率1500 MHz，自2006年进行理论与模型腔设计研究，后在上海光源线站工程加速器性能拓展中作为束团长度控制系统的工程任务，开展了超导腔、恒温器、调谐器和高次模吸收器等的国产化自主研制。2021年2月，完成4.2 K下模组的水平测试，结果表明Q0~ 4.0×108 @ Eacc = 7.5 MV/m和Q0 ~ 3.8×108 @ Eacc = 10.0 MV/m；2021年8月，完成隧道内安装就位、降温和信号调试；2021年11月9日以来的带束调试，在储存环均匀填充四个束团串共556个束团时，束团长度（半高宽）从55 ps拉长至122 ps；混合填充1个单束团和520个束团串时，束团长度（半高宽）拉长至165.7 ps，拉伸倍数约3倍，且单束团内的流强高于24 mA，皆优于系统设计指标，为快速X光成像线站的测试提供了良好的束流条件。快速X光成像线站是一条硬X射线能量段、实现从毫秒到亚百皮秒时间分辨和微米级空间分辨成像的光束线站，该线站配置有先进的材料动态响应实验平台、高速流体动力学实验平台、动态显微CT实验平台（图3），其液氮冷却低温波荡器、液氮冷却双晶单色器、单脉冲超快X射线成像探测器（最短成像曝光时间60 ps）、高速X射线成像探测器（成像帧频达到5 M fps）、快速X射线成像探测器（成像帧频达到100000 fps）、快门系统（控制通光时间 1 ms）、同步定时系统（定时精度达到5 ps）等光束线站关键设备均由上海光源自主研制。特别是，研制成功大数值孔径三镜头双路光学转换系统与两个ICCD相机组合成双幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4a）；与微通道板和高速CMOS相机组合成多幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4b）；可一次拍摄双幅或多幅单脉冲成像图像，时间分辨率可达60 ps，空间分辨率可达1.3 μm，对于不可重复的超快过程可实现连续、高分辨、单脉冲超快X射线成像。如图5所示，为基于研制的双幅单脉冲超快X射线成像探测器拍摄得到激光加载后两个时刻上的水中气泡的瞬态图像，可以清晰观测到一次激光加载后，水中气泡在两个时刻上不同的结构变化，两幅图像之间最短时间间隔为1.44 μs（为电子绕储存环一周的时间）。图3. 快速X光成像线站实验站图4. 研制的单脉冲超快X射线成像探测器。（a）研制的大数值孔径三镜头双路光学转换系统，与两个ICCD相机组合成双幅单脉冲超快X射线成像探测器；（b）研制的大数值孔径三镜头双路光学转换系统，与微通道板和高速CMOS相机组合成多幅单脉冲超快X射线成像探测器图5. 基于研制的双幅单脉冲超快X射线成像探测器拍摄得到激光加载后两个时刻上的水中气泡的瞬态图像，两幅图像之间最短时间间隔为1.44 μs此外，实验站还配备了一级轻气炮、霍普金森杆、燃油喷雾室、高温样品室、力学加载试验机等原位装置和自动换样机械手。该线站的建成表明，上海光源自主建设高水平硬X射线光束线站的能力登上了新台阶，我国已成功突破了同步辐射X射线超快成像的关键技术并取得重要进展，这将为我国在材料冲击响应、结构动力学、高速流体动力学、软物质动力学等方向的基础和应用研究提供了有力支撑，特别是为航空航天复合材料、推进剂和轻质合金动态服役行为研究提供了超快显微观测能力，并对关键工程材料设计具有重要指导意义。

近日，上海光源线站工程取得关键进展。储存环内安装的国内首台无源超导三次谐波腔模组将束团长度拉伸约3倍，结合束团纯化系统，实现了混合束团填充模式下单束团流强高于20mA（图1），支持快速X光成像线站在国内首次成功实现了基于同步辐射光源的单脉冲超快硬X射线成像，其成像时间分辨率达到60 ps，并被应用到气泡动力学的超快测量，清晰观测到在激光烧蚀后不同时刻水中气泡的形核、长大、破裂以及射流过程的超瞬态图像，尤其是清晰观测到传统光学诊断手段无法观测到的微射流过程（图2），为气泡动力学这一经典问题的深入研究带来了崭新的手段。 　　上海光源储存环采用被动式的超导高次谐波腔，运行频率1500 MHz，自2006年进行理论与模型腔设计研究，后在上海光源线站工程加速器性能拓展中作为束团长度控制系统的工程任务，开展了超导腔、恒温器、调谐器和高次模吸收器等的国产化自主研制。2021年2月，完成4.2K下模组的水平测试，结果表明Q0~ 4.0×108 @ Eacc = 7.5 MV/m和Q0 ~ 3.8×108 @ Eacc = 10.0 MV/m；2021年8月，完成隧道内安装就位、降温和信号调试；2021年11月9日以来的带束调试，在储存环均匀填充四个束团串共556个束团时，束团长度（半高宽）从55 ps拉长至122 ps；混合填充1个单束团和520个束团串时，束团长度（半高宽）拉长至165.7 ps，拉伸倍数约3倍，且单束团内的流强高于24 mA，皆优于系统设计指标，为快速X光成像线站的测试提供了良好的束流条件。 　　快速X光成像线站是一条硬X射线能量段、实现从毫秒到亚百皮秒时间分辨和微米级空间分辨成像的光束线站，该线站配置有先进的材料动态响应实验平台、高速流体动力学实验平台、动态显微CT实验平台（图3），其液氮冷却低温波荡器、液氮冷却双晶单色器、单脉冲超快X射线成像探测器（最短成像曝光时间60 ps）、高速X射线成像探测器（成像帧频达到5 M fps）、快速X射线成像探测器（成像帧频达到100000 fps）、快门系统（控制通光时间 1 ms）、同步定时系统（定时精度达到5 ps）等光束线站关键设备均由上海光源自主研制。特别是，研制成功大数值孔径三镜头双路光学转换系统与两个ICCD相机组合成双幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4a）；与微通道板和高速CMOS相机组合成多幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4b）；可一次拍摄双幅或多幅单脉冲成像图像，时间分辨率可达60 ps，空间分辨率可达1.3 μm，对于不可重复的超快过程可实现连续、高分辨、单脉冲超快X射线成像。如图5所示，为基于研制的双幅单脉冲超快X射线成像探测器拍摄得到激光加载后两个时刻上的水中气泡的瞬态图像，可以清晰观测到一次激光加载后，水中气泡在两个时刻上不同的结构变化，两幅图像之间最短时间间隔为1.44 μs（为电子绕储存环一周的时间）。 　　此外，实验站还配备了一级轻气炮、霍普金森杆、燃油喷雾室、高温样品室、力学加载试验机等原位装置和自动换样机械手。该线站的建成表明，上海光源自主建设高水平硬X射线光束线站的能力登上了新台阶，我国已成功突破了同步辐射X射线超快成像的关键技术并取得重要进展，这将为我国在材料冲击响应、结构动力学、高速流体动力学、软物质动力学等方向的基础和应用研究提供了有力支撑，特别是为航空航天复合材料、推进剂和轻质合金动态服役行为研究提供了超快显微观测能力，并对关键工程材料设计具有重要指导意义。