超强激光科学卓越创新简报

(第四百四十五期)

2023年11月17日

上海光机所首次提出介质型脉冲压缩光栅设计范式

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵建达研究员、晋云霞研究员团队在介质型脉冲压缩光栅领域取得新进展。相关成果以“All- and mixed-dielectric grating for Nd:glass-based high-energy pulse compression”为题发表于High Power Laser Science and Engineering。

超强超短激光领域正处于取得重大突破和开拓应用的关键阶段，强激光装置已然成为各大科学中心必备的支撑平台，有望为激光聚变、粒子加速、阿秒科学（2023年诺贝尔物理学奖）、强场量子电动力学等重大前沿领域驱动变革性技术。基于啁啾脉冲放大（CPA，2018年诺贝尔物理学奖）技术的大口径钕玻璃窄带增益大能量激光装置是目前最为主流的一类高功率光源，而光栅压缩器是其功率持续提升的瓶颈模块。自21世纪以来，介质型压缩光栅报道零散，且可用光栅的通量阈值也已经接近极限。系统性探索介质型光栅高效率解、寻求高阈值设计、有效利用大口径光栅的制造能力，是最大化光栅表面能量负载能力的核心问题。研究团队在前期低线密度偏振无关全介质光栅的成功研制【Optics. Letters 42, 4016-4019 (2017)】及首次提出TM偏振全介质光栅阈值优越性的基础上【Applied Physics Letters 120, 113502 (2022)】，首次揭示了介质型光栅的整套设计范式，发现并阐明TM偏振结合小使用角带来的光栅能量负载的新思路。

本研究中，研究团队在设计上揭示了介质型光栅设计范式，定义了三个高效率光栅解区域，分别为稳区、异常区和湍区，相应的光栅构型为高色散大入射角型、低色散大偏离角型、低色散带方位角型。基于上述设计范式，以最小光栅内部电场增强（EFI）值为标准，示范了1740 g/mm-TE和1810 g/mm-TM超低EFI设计、1250 g/mm-TE大偏离角设计、1150 g/mm-TE+TM偏振无关设计，首次基于电场增强和口径提出了二者共同作用的能量缩放因子的表达式，将其应用对比上述四套设计范例与SG-II、PETAL、NIF-ARC采用的介质光栅方案的缩放因子来表征光栅表面的能量负载能力，揭示出TM偏振结合小使用角带来的光栅压缩器能量负载的优势。未来，本团队提出的介质型光栅设计范式、TM偏振合小使用角的压缩器方案及无拼缝米级光栅技术路线将持续服务于我国大激光装置建设。

研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部、上海市战略新兴产业项目、中国科学院国际伙伴计划的支持。

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图 1常规介质型光栅设计策略：“高反射底+阻隔层+衍射顶”

图2 衍射效率与入射角、线密度之间的关系，其中光栅解区定义为四个区域：无解区R-I、稳区R-II、异常区R-III和湍区R-IV

图3 能量缩放因子分布