100 PW单束压缩！多步压缩器进阶双光栅

摘要：上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用空间啁啾匀滑光束的原理,提出了基于双光栅多步压缩器的方案.此压缩器具有可简化安装、降低成本、提高光束匀滑效果以及增加压缩效率等诸多优势.

近日,上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用空间啁啾匀滑光束的原理,提出了基于双光栅多步压缩器（single-pass single-grating pair - multistep pulse compressor, SSGP-MPC）方案.相比传统四光栅压缩器,此压缩系统基于两块光栅补偿时间啁啾和引入空间啁啾,可匀滑光束降低空间强度调制,从而提高压缩输出激光的能量.SSGP-MPC具有诸多优势,可简化安装、降低成本、提高光束匀滑效果和增加压缩效率,并且利用当前能获得的最大尺寸光栅,单束压缩能达到50-100 PW的激光功率.

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第1期的文章.

(Shuman Du, Xiong Shen, Wenhai Liang, Peng Wang, Jun Liu, Ruxin Li. A 100-PW compressor based on single-pass single-grating pair[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 010000e4)

基于双光栅的多步脉冲压缩器

1985年的啁啾脉冲放大技术解决了放大晶体损伤的难题,从而使得激光峰值功率迅速提升.在获得10-100 PW激光时,压缩过程中又碰到了光栅损伤的难题.为了解决这一问题,光栅拼接或相干组束的方法相继出现.最近,一种称为多步（或分步）压缩器（multistep pulse compressor, MPC）的方法（Opt. Express 29:17140 (2021), Appl. Phys. B 128:159 (2022)）可以打破传统压缩器的瓶颈.MPC方法通过非对称四光栅或之前的棱镜对来引入空间色散匀滑光束,并通过引入后压缩来专门解决产生的空间色散问题.在此,提出了基于两块压缩光栅的MPC新方案SSGP-MPC,两块光栅可以减少光栅衍射损耗、提高总压缩效率,并可引入更大空间色散更好地匀滑光束.

SSGP-MPC的整体装置如图1所示,其中包含三个压缩过程：预压缩,主压缩以及后压缩.在这三个压缩阶段的主要器件分别为棱镜对、双光栅、抛物面反射镜.装置中的可变形反射镜可以有效地补偿光栅等引起的波前畸变,从而获得更高的聚焦强度.

图1,SSGP-MPC装置. PS_I, PS_II_X: 棱镜对；DM_1, DM_2, DM_3:可变形反射镜；BE: 扩束器和中继成像系统；G1, G2:衍射光栅；M1-M5: 反射镜；PM: 抛物面反射镜；FP: 焦点

强光实验室刘军课题组仿真模拟了该压缩系统输出脉冲的时空分布,其在空域和时域的强度分布分别如图2和图3所示.仿真结果表明：SSGP-MPC的输出光束在空域上被很好地匀滑；由于全光谱光斑占比较高,在时域上,焦点及附件一定范围的脉冲宽度依然接近傅里叶转换极限,并且保持较高的脉冲对比度.

图2,（a）光谱; （b）输入光束,其包含五个不同半高宽（FWHM）直径的高斯形状热点,其FWHM直径分别为10、20、40、80和160（mm）；（c）经过双光栅压缩系统以后的输出光束,其包含520mm空间啁啾；（d）图（b）和（c）在X=0处的输入（蓝线）和输出（红线）脉冲的强度分布.（e）图（b）中沿Y方向的输入光束一维强度分布,其中不包含（蓝虚线）以及包含（紫实线）五个不同FWHM直径的热点；（f）图（c）中沿Y方向的输出光束一维强度分布,其中不包含（蓝虚线）以及包含（紫实线）五个不同FWHM直径的热点

图3,（a）线性坐标中焦平面的时域强度分布；（b）对数坐标中焦平面处具有空间啁啾（红线）以及理想条件（蓝线）的时域强度分布；（c）对数坐标中焦平面处具有空间啁啾和光谱剪切效应（红线）以及理想条件（蓝线）的时域强度分布

原理验证的实验光路和实验结果如图4所示.实验结果表明,双光栅可以很好地匀滑带有热点或具有很大空间强度调制的光束,并且其脉宽接近四光栅压缩输出的激光脉冲宽度.

图4,（a）：双光栅压缩器的实验装置；（b）：在G1之前对激光束进行空间强度调制；（c）：经过双光栅压缩器后的输出激光束；（d）：单通和双通光栅对的焦点处的时域强度分布；（e）：输入光束的光谱图.

总结和展望

相比传统四光栅压缩器,SSGP-MPC使用两块光栅对就可获得60 PW或100 PW的激光输出,不仅简化了装置,节省了成本,还可获得更高的总压缩效率.采用可变形镜后,还可以部分补偿压缩光栅的波前畸变,降低四光栅压缩中的时空畸变的影响,因此是一种有发展前途的压缩方法.该压缩器的输出光束带有较大的空间啁啾,时空聚焦后脉冲前倾斜,降低了聚焦光强,未来或许可采用非准直光束入射等方法来优化.