中科院上海光機(jī)所首次提出介質(zhì)型脈沖壓縮光柵設(shè)計(jì)范式

近日，中科院上海光機(jī)所邵建達(dá)研究員、晉云霞研究員團(tuán)隊(duì)在介質(zhì)型脈沖壓縮光柵領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“All- and mixed-dielectric grating for Nd:glass-based high-energy pulse compression”為題發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域正處于取得重大突破和開(kāi)拓應(yīng)用的關(guān)鍵階段，強(qiáng)激光裝置已然成為各大科學(xué)中心必備的支撐平臺(tái)，有望為激光聚變、粒子加速、阿秒科學(xué)（2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)等重大前沿領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)變革性技術(shù)�；谶泵}沖放大（CPA，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）技術(shù)的大口徑釹玻璃窄帶增益大能量激光裝置是目前最為主流的一類(lèi)高功率光源，而光柵壓縮器是其功率持續(xù)提升的瓶頸模塊。自21世紀(jì)以來(lái)，介質(zhì)型壓縮光柵報(bào)道零散，且可用光柵的通量閾值也已經(jīng)接近極限。系統(tǒng)性探索介質(zhì)型光柵高效率解、尋求高閾值設(shè)計(jì)、有效利用大口徑光柵的制造能力，是最大化光柵表面能量負(fù)載能力的核心問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)在前期低線(xiàn)密度偏振無(wú)關(guān)全介質(zhì)光柵的成功研制【Optics. Letters 42, 4016-4019 (2017)】及首次提出TM偏振全介質(zhì)光柵閾值優(yōu)越性的基礎(chǔ)上【Applied Physics Letters 120, 113502 (2022)】，首次揭示了介質(zhì)型光柵的整套設(shè)計(jì)范式，發(fā)現(xiàn)并闡明TM偏振結(jié)合小使用角帶來(lái)的光柵能量負(fù)載的新思路。

本研究中，研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)上揭示了介質(zhì)型光柵設(shè)計(jì)范式，定義了三個(gè)高效率光柵解區(qū)域，分別為穩(wěn)區(qū)、異常區(qū)和湍區(qū)，相應(yīng)的光柵構(gòu)型為高色散大入射角型、低色散大偏離角型、低色散帶方位角型�；谏鲜鲈O(shè)計(jì)范式，以最小光柵內(nèi)部電場(chǎng)增強(qiáng)（EFI）值為標(biāo)準(zhǔn)，示范了1740 g/mm-TE和1810 g/mm-TM超低EFI設(shè)計(jì)、1250 g/mm-TE大偏離角設(shè)計(jì)、1150 g/mm-TE+TM偏振無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)，首次基于電場(chǎng)增強(qiáng)和口徑提出了二者共同作用的能量縮放因子的表達(dá)式，將其應(yīng)用對(duì)比上述四套設(shè)計(jì)范例與SG-II、PETAL、NIF-ARC采用的介質(zhì)光柵方案的縮放因子來(lái)表征光柵表面的能量負(fù)載能力，揭示出TM偏振結(jié)合小使用角帶來(lái)的光柵壓縮器能量負(fù)載的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，本團(tuán)隊(duì)提出的介質(zhì)型光柵設(shè)計(jì)范式、TM偏振合小使用角的壓縮器方案及無(wú)拼縫米級(jí)光柵技術(shù)路線(xiàn)將持續(xù)服務(wù)于我國(guó)大激光裝置建設(shè)。

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圖1.常規(guī)介質(zhì)型光柵設(shè)計(jì)策略：“高反射底+阻隔層+衍射頂”

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圖2.衍射效率與入射角、線(xiàn)密度之間的關(guān)系，其中光柵解區(qū)定義為四個(gè)區(qū)域：無(wú)解區(qū)R-I、穩(wěn)區(qū)R-II、異常區(qū)R-III和湍區(qū)R-IV

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圖3.能量縮放因子分布