用于重离子实验的高功率激光光学元件

20多年来,位于达姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung一直在研究开发用于高能物理领域基础研究的高功率、高能激光器。其结果是用于重离子实验的Petawatt高能激光器(简称PHELIX),用于研究等离子体物理、天体物理和原子物理中的基本过程。该系统的集成光束引导有助于利用重离子束进行组合实验,在望远镜的帮助下,能够在长达60m的距离内控制激光束的方向,在光束质量不变的情况下减小了激光束的尺寸。为了达到理想的成像质量,asphericon为该望远镜生产了两个高精度球面光学元件。

项目详情

早在1990年代中期,位于达姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung就开始规划和建造用于高能物理领域基础研究的高功率、高能激光器。其结果是用于重离子实验的Petawatt高能激光器(简称PHELIX),这是德国最大的脉冲操作激光系统,已为科学用户使用了十多年。PHELIX用于研究等离子体物理、天体物理和原子物理中的基本过程。该系统可以产生大约500fs脉冲持续时间和200J能量的非常短的激光脉冲,以及具有纳秒范围内的高能量和脉冲持续时间的脉冲。GSI的研究最大的特点是结合了强激光脉冲和重离子束,这在欧洲是独一无二的。闪光灯泵Nd玻璃系统由两个前端组成,一个前置放大器和一个主放大器,示意图如下图所示。

激光束可以通过几个长达60m的光束导管射向装置内的不同测量站,然后用于实验。为了促进涉及重离子束和高功率激光的组合实验,开发了一种特殊的束引导机构。这使得使用由PHELIX脉冲产生的X射线脉冲来研究被来自重离子同步加速器的离子束辐射的物质成为可能。光束制导包括一个望远镜,用于在光束质量不变的情况下减小激光束的尺寸。为了达到理想的成像质量,asphericon为该望远镜生产了两个高精度球面光学元件。

项目实现

PHELIX内的高激光强度给集成光学部件带来了巨大的压力。它们还必须具有高精度和相对较大的直径,以便能够长距离引导激光束。asphericon为光束制导望远镜制造了两个由熔融石英制成的平凸球面透镜。由于它们的直径分别为200和350mm,RMSi≤50nm(对于四个表面中的三个甚至<20 nm),它们在允许激光束传输超过48.5m距离(见图2)的同时,还能保持光束质量并承受高激光功率,因为特殊材料具有45J/cmÇ的激光破坏阈值;1064nm;8ns。

为了生产光学元件,为所有工艺步骤制作了特殊的夹持装置(见图3),测量程序根据项目需要进行了单独调整。所有的镜片都涂有V型涂层。为了运输球体,还需要生产新的包装。asphericon开发了防倾斜和防震的特殊包装,可以顺利交付给客户。

PHELIX光学元件概览:

  • 生产两个由熔融石英制成的平凸球面透镜,饰面采用V型涂层
  • 透镜规格:直径为200和350mm;RMSi≤50nm且<20 nm
  • 定制夹持装置和特殊防倾斜、防震包装的开发和生产
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