超强激光科学卓越创新简报

(第四百四十期)

2023年11月7日

上海光机所首次提出TM偏振全介质光栅激光损伤阈值优越性

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TM偏振全介质脉冲压缩光栅领域取得突破性进展。相关成果以“TM polarization preferentially implemented in the next generation of high-intensity laser systems based on multilayer dielectric gratings”为题发表于Applied Physics Letters。

皮秒大能量钕玻璃激光装置是实现激光聚变的重要工具，支持皮秒大能量脉冲展宽和压缩的高阈值全介质光栅是实现目前SG-II、NIF-ARC等大激光装置能量负载能力提升的一个核心技术难题。在过去近40年里，该类激光装置均采用高色散TE偏振全介质光栅实现脉冲压缩且可用光栅的通量阈值也接近极限。研究团队针对高损伤阈值全介质压缩光栅需求，首次基于低色散偏振无关全介质光栅阐明TM偏振的阈值优越性。

在本项研究中，研究团队首次利用多层倾角结构构建偏振无关全介质光栅，其TE和TM双偏振衍射效率性能在1020~1080 nm的波长范围内处于同一水平，平均效率均超98%。以偏振无关全介质光栅为平台，在同等激光条件、同等光栅光谱性能的条件下，开展研究全介质压缩光栅抗激光损伤能力对偏振态的响应情况。研究结果显示：TM偏振下1170 g/mm全介质光栅的1-on-1通量阈值（为1.4~2.0 J/cm²@8.6 ps、1053±3 nm）约为TE偏振的1.55倍。通过分析损伤演化过程和创建生长模型，阐明了TM偏振全介质光栅具有低电场增强、对激发光强度的低敏感度、对损伤结构的低响应，以及低损伤生长动态，为研制高阈值介质光栅、建设大能量负载压缩器寻求了新的技术路径。目前，本团队正将TM偏振全介质光栅的口径推向米级，并开展性能更优异的设计方案，未来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的支持。

原文链接

图 1偏振无关全介质光栅（a）多层倾角偏振无关光栅设计示意；（b）AFM测试样品槽形轮廓；（c）SEM测试样品剖面结构

图2 光栅内部归一化电场增强分布，激光从光栅左侧入射，（a）对应TE偏振；（b）对应TM偏振，插图表示双偏振下光栅初始损伤形貌，其中白色线条表示200 nm标尺

图3 损伤生长（a）损伤生长序列和对应的计算案例；（b）损伤光栅的衍射效率谱随烧蚀空泡横截面尺寸的变化；（c）光栅脊内部最大电场增强值与烧蚀空泡横截面大小的关系