近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)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(guān)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(jié)果并不理想，壓縮脈寬僅有~30 fs，與FTL值相差甚遠(yuǎn)。這主要是受到當(dāng)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(shù)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(yīng)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(jié)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(zhǔn)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(jié)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(yīng)用提供了重要支撐，為100PW激光器的設(shè)計和制造提供了有意義的指導(dǎo)。

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(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、上海市科技重大專項的支持。

相關(guān)鏈接：http://dx.doi.org/10.1017/hpl.2022.29