上海光機所在100PW激光系統(tǒng)的色散控制方面取得新進展

近期，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研究團隊在100PW激光系統(tǒng)色散控制的研究方面取得了新進展，相關成果以“Dispersion management for a 100 PW level laser using a mismatched-grating compressor”為題發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering。

早在1997年Kane和Squier就提出了非匹配光柵壓縮器。與傳統(tǒng)的Treacy壓縮器不同，非匹配光柵壓縮器引入了一個額外的可變參數(shù)—光柵刻線密度。通過優(yōu)化展寬器-壓縮器中的光柵對間距和入射角的失配，可以實現(xiàn)二階色散(GDD)和三階色散(TOD)的補償；通過優(yōu)化展寬器-壓縮機中光柵刻線密度的失配，可以實現(xiàn)四階色散(FOD)的補償。因此，非匹配光柵壓縮器可以實現(xiàn)GDD、TOD和FOD的同時補償，從而獲得近傅里葉變換極限(FTL)的壓縮脈沖。

然而，之前基于非匹配光柵壓縮器的兩個PW級飛秒激光器的實驗結果并不理想，壓縮脈寬僅有~30 fs，與FTL值相差甚遠。這主要是受到當時光柵種類的限制，上述兩種激光器采用的光柵沒有配備最優(yōu)的刻線密度。隨著光柵制造技術的發(fā)展，目前可以定制任意槽密度的光柵，這也使得非匹配光柵壓縮器具有良好的色散管理潛力。但作為一種被動色散管理方法，非匹配光柵壓縮器在實際應用中的可行性仍不確定。

本研究團隊充分研究了非匹配光柵壓縮器的色散特性，并在理論上證明了其在100PW激光系統(tǒng)中的色散控制優(yōu)勢。數(shù)值結果表明，基于非匹配光柵壓縮器的SEL-100PW激光系統(tǒng)（啁啾脈沖持續(xù)時間~4 ns，頻譜帶寬~210 nm）可以實現(xiàn)小于13fs的近FTL壓縮脈沖。此外，研究團隊還全面深入地研究了非匹配光柵壓縮器的容忍度，包括：對展寬器校準誤差的容忍度、對光柵刻線密度誤差的容忍度、以及對激光系統(tǒng)中材料色散誤差的容忍度。

數(shù)值結果表明，通過平衡激光系統(tǒng)中的殘余GDD、TOD和FOD，非匹配光柵壓縮器在上述三個方面都可以實現(xiàn)良好的容忍度，并實現(xiàn)近FTL壓縮脈沖輸出。本工作證明了非匹配光柵壓縮器的良好容忍度，為其實際應用提供了重要支撐，為100PW激光器的設計和制造提供了有意義的指導。

圖1.數(shù)值模擬的100PW激光放大光譜和基于非匹配光柵壓縮器的輸出脈沖。

圖2.材料色散和光柵刻線密度同時存在誤差時，基于非匹配光柵壓縮器的輸出脈沖寬度(a)和容忍度(b)。 相關工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、上海市科技重大專項的支持。 相關鏈接：http://dx.doi.org/10.1017/hpl.2022.29

審核編輯 ：李倩