圖1仿真結(jié)果：(a)在不同的光柵對(duì)間距改變量下，LSIM和面外角關(guān)系曲線。紅色實(shí)線代表半徑為10 mm的熱點(diǎn)，藍(lán)色虛線代表半徑1 mm的熱點(diǎn)。圖(b)-(d)為從DSGC出射的脈沖光斑分布。光柵間距改變量分別為L(zhǎng)=20，40和80 mm，面外角固定為5°。在Y=0 mm處沿X方向的強(qiáng)度分布如圖(e)所示。黑色、藍(lán)色和紅色線分別表示L=20、40和80 mm的情況。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉軍研究員研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院Efim.Khazanov教授合作，在提高超高峰值功率激光器輸出能量閾值研究方面取得進(jìn)展。研究成果以Ultrahigh-peak-power laser pulse compression by double-smoothing grating compressor為題在線發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

超強(qiáng)超短脈沖激光的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了強(qiáng)場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)場(chǎng)激光物理領(lǐng)域的發(fā)展。對(duì)于具有超高峰值功率的拍瓦級(jí)激光裝置，其聚焦強(qiáng)度范圍大多在 1019 -1021 W/cm2，可以被廣泛應(yīng)用于 x-/γ-射線產(chǎn)生、等離子物理和粒子加速等領(lǐng)域。為了研究放射反應(yīng)和等離子體中的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，甚至要求激光聚焦強(qiáng)度達(dá)到 1022 -1024 W/cm2，這意味著需要峰值功率達(dá)到數(shù)百 PW 的激光功率輸出。因此，如何進(jìn)一步提升拍瓦激光器輸出峰值功率是當(dāng)前研究的前沿。

圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a)-(c)分別為未進(jìn)行調(diào)制的入射脈沖、僅加入縱向調(diào)制的入射脈沖和加入縱向、橫向調(diào)制的入射脈沖光斑。(d)-(f)分別為(a)-(c)對(duì)應(yīng)的面外壓縮器(YSGC：引入了縱向空間色散)的出射光斑。(g)和(i)分別為(a)和(c)對(duì)應(yīng)的DSGC的出射光斑。(h)為(c)、(f)和(i)在Y=0處沿X方向和在X=0處沿Y方向的強(qiáng)度分布。

光柵的損傷閾值和光斑空間調(diào)制度是限制高峰值功率激光輸出的關(guān)鍵因素。近年有研究表明，在CPA裝置的壓縮器中對(duì)光斑引入空間色散、進(jìn)行空間勻滑可以有效地提高最終的輸出峰值功率。團(tuán)隊(duì)提出使用二維勻滑壓縮器來(lái)引入橫向和縱向的空間色散的方案，對(duì)出射光斑的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行了二維勻滑，大大提高了輸出峰值功率上限。仿真結(jié)果表明，二維勻滑壓縮器(Double-smoothing grating compressor: DSGC)具有更好的勻滑能力，尤其是對(duì)于半徑大于 5 mm的熱點(diǎn)，能夠有效降低其空間調(diào)制度。在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)利用小型DSGC對(duì)從放大器出射的未補(bǔ)償脈沖進(jìn)行了壓縮。結(jié)果證明，DSGC不僅具有和其它壓縮器相同的時(shí)域壓縮能力，且能夠明顯降低近場(chǎng)光斑的“峰值-平均強(qiáng)度比”，實(shí)現(xiàn)了 1.74 倍的出射能量提升。并且，通過(guò)對(duì)聚焦點(diǎn)的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，證明了DSGC對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，DSGC無(wú)需任何其它的光學(xué)元件，可以僅僅靠改變壓縮器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光斑勻滑，提高光柵利用效率，提升輸出脈沖能量，在超高峰值功率激光裝置上具有重要應(yīng)用前景。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金支持。

審核編輯 黃宇