脈沖后壓縮技術(shù)
啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, CPA)和光參量啁啾脈沖放大(optical parametric chirped pulse amplification, OPCPA)技術(shù)的發(fā)明推動(dòng)了超強(qiáng)超短激光的迅猛發(fā)展。超強(qiáng)超短激光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10 PW峰值功率和1023 W/cm2的聚焦峰值強(qiáng)度，為開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用研究創(chuàng)造了前所未有的實(shí)驗(yàn)手段和極端物理?xiàng)l件，并促進(jìn)了一大批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。目前世界范圍內(nèi)超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域正處于取得重大突破與開拓應(yīng)用的關(guān)鍵階段，超高峰值功率激光也已成為未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。
在CPA或OPCPA系統(tǒng)中通過(guò)啁啾脈沖能量放大持續(xù)提升脈沖峰值功率的方式，使得超強(qiáng)超短激光裝置的建造成本、占地規(guī)模、運(yùn)行效率以及能耗等問(wèn)題日益凸顯。同時(shí)，激光增益介質(zhì)的尺寸以及光柵的損傷閾值等問(wèn)題也將極大地制約超高峰值功率激光的發(fā)展。如何更經(jīng)濟(jì)、更有效地提升脈沖峰值功率，已成為本領(lǐng)域亟需解決的重大科學(xué)問(wèn)題。有別于常規(guī)CPA和OPCPA技術(shù)，脈沖后壓縮技術(shù)是通過(guò)非線性壓縮方案進(jìn)一步縮短脈沖寬度而非增加脈沖能量來(lái)提升脈沖峰值功率，該技術(shù)有望克服上述問(wèn)題，為發(fā)展超高峰值功率激光提供更為經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)途徑。
大能量飛秒脈沖后壓縮技術(shù)在近年來(lái)獲得了顯著的研究進(jìn)展，但面向?qū)嶋H應(yīng)用仍需解決若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其一就是空間小尺寸自聚焦問(wèn)題。空間小尺寸自聚焦會(huì)使得局域光強(qiáng)急劇增加，嚴(yán)重?fù)p害光束質(zhì)量并造成光學(xué)元件損傷，是當(dāng)前限制脈沖后壓縮技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。因此，面向超高峰值功率激光的重要發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新發(fā)展脈沖后壓縮技術(shù)并克服空間小尺寸自聚焦問(wèn)題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
脈沖后壓縮技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展
近日，上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于非對(duì)稱四光柵壓縮器的新型脈沖后壓縮方案。通過(guò)數(shù)值研究證明，在利用非對(duì)稱四光柵壓縮器完成放大脈沖壓縮的同時(shí)引入適量空間色散，可有效改善高峰值功率飛秒激光的空間強(qiáng)度均勻性。勻滑后的30 fs激光脈沖在通過(guò)熔融石英薄片獲得非線性光譜展寬的同時(shí)，空間小尺寸自聚焦也得到了明顯的抑制，最后利用啁啾鏡將激光脈沖進(jìn)一步壓縮到9 fs，使得脈沖峰值功率獲得顯著提升。
成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期的文章(Shuren Pan, Fenxiang Wu, Yang Zhao, Jiabing Hu, Zongxin Zhang, Yi Xu, Yuxin Leng, Ruxin Li, Efim Khazanov, "A novel small-scale self-focusing suppression method for post-compression in high peak power lasers," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e49 (2024))。
圖1 傳統(tǒng)與新型脈沖后壓縮方案結(jié)構(gòu)圖
該新型脈沖后壓縮方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括非對(duì)稱四光柵壓縮器（G1’，G2，G3，G4’，L1 ≠ L2）、熔融石英薄片和脈沖再壓縮裝置（啁啾鏡）。常規(guī)四光柵壓縮器（G1，G2，G3，G4，L1 = L2）和非對(duì)稱四光柵壓縮器輸出脈沖及脈沖經(jīng)光譜展寬后的光通量分布分別如圖2所示。顯然，非對(duì)稱四光柵壓縮器實(shí)現(xiàn)了很好的光束勻滑，并有效抑制了光譜展寬過(guò)程中的小尺寸自聚焦。
圖2 常規(guī)四光柵壓縮器（a）輸出脈沖光通量分布及（b）脈沖經(jīng)非線性光譜展寬后的局部光通量分布；非對(duì)稱四光柵壓縮器（c）輸出脈沖光通量分布及（d）脈沖經(jīng)非線性光譜展寬后脈沖的局部光通量分布
對(duì)于現(xiàn)有的脈沖后壓縮技術(shù)，抑制空間小尺寸自聚焦問(wèn)題的方法通常有兩種。一是通過(guò)間隔式排列多級(jí)固體薄片實(shí)現(xiàn)光束的空間自濾波，但往往需要很長(zhǎng)的自濾波距離才能達(dá)到較好的抑制效果，因此實(shí)際應(yīng)用比較困難，尤其是對(duì)于高峰值功率激光器；二是引入空間濾波器消除光束空間高頻噪聲，但對(duì)于寬帶的高峰值功率激光，空間濾波器設(shè)計(jì)復(fù)雜且研制成本較高。本工作創(chuàng)新性地將非對(duì)稱四光柵壓縮器和脈沖后壓縮技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，在無(wú)需增加激光裝置元器件和建造成本的條件下，有效抑制了脈沖后壓縮過(guò)程中的空間小尺寸自聚焦問(wèn)題。該方案既簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，又切實(shí)有效，為推動(dòng)脈沖后壓縮技術(shù)乃至超高峰值功率激光的發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。
總結(jié)與展望 脈沖后壓縮技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，一方面可為發(fā)展超高峰值功率激光提供新的技術(shù)途徑，另一方面也可為發(fā)展具有更小尺寸、更低成本、更高重頻乃至更低能耗的超強(qiáng)超短激光提供新的研究思路。在后續(xù)工作中，將基于現(xiàn)有的數(shù)值模擬開展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)方案的可行性和優(yōu)越性。
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