上海光机所 | 基于非匹配光栅压缩器的100 PW激光系统色散管理

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超强超短激光的发展和色散管理

啁啾脉冲放大和光参量啁啾脉冲放大(optical parametric chirped pulse amplification, OPCPA)技术的发明，大大推动了超强超短激光的发展。高峰值功率飞秒激光系统已经实现了拍瓦(PW)峰值功率的超强超短激光脉冲输出，相应的聚焦峰值强度达到了10²² W/cm²。高激光聚焦峰值强度可为众多学科研究创造与众不同的实验手段和极端物理条件，从而推动强场激光物理及相关研究的发展。目前世界范围内超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，很多国家都在竞相研制10 PW甚至100 PW的超强超短激光，相应峰值聚焦强度有望突破10²³ W/cm²。

为了获得更高的激光峰值功率，一方面可以提高激光脉冲的放大能量，另一方面可以压缩脉冲宽度。相比较提高脉冲能量，压缩脉冲宽度无疑是一个更为简单经济的途径。因此，通过激光系统的色散管理来获得更窄的脉冲输出一直是超强超短激光领域的研究热点。目前主流的色散管理方法是在系统中引入可编程声光调制器(acousto-optic programmable dispersive filter, AOPDF)。虽然AOPDF的使用简单，但存在效率低下、可能会引入一定的角色散的问题。角色散会使激光脉冲的时空质量退化和有效聚焦强度降低，尤其是在100 PW级的超高峰值功率飞秒激光系统。因此，100 PW级的色散管理仍是一个十分重要和值得关注的问题。

非匹配光栅压缩器

早在1997年Kane和Squier就提出了非匹配光栅压缩器。与传统的Treacy压缩器不同，非匹配光栅压缩器引入了一个额外的可变参数——光栅刻线密度。通过优化展宽器-压缩器中的光栅对间距和入射角的失配，可以实现二阶色散( the second-dispersions, GDD)和三阶色散(the third-order dispersions, TOD)的补偿；通过优化展宽器-压缩机中光栅刻线密度的失配，可以实现四阶色散(the fourth-order dispersion, FOD)的补偿。因此，非匹配光栅压缩器可以实现GDD、TOD和FOD的同时补偿，从而获得近傅里叶变换极限( Fourier-transform limit, FTL)的压缩脉冲。然而，之前基于非匹配光栅压缩器的两个PW级飞秒激光器的实验结果并不理想，压缩脉宽仅有~30 fs，与FTL值相差甚远。这主要是受到当时商品化光栅种类的限制，上述两种激光器采用的光栅没有配备最优的刻线密度。幸运的是，随着光栅制造技术的发展，现在可以定制任意槽密度的光栅，也使得非匹配光栅压缩器具有良好的色散管理潜力。但作为一种被动色散管理方法，非匹配光栅压缩器在实际应用中的可行性目前仍没有被充分验证。

SEL-100 PW激光系统的色散管理

近日，上海光机所强场激光物理国家重点实验室深入研究了非匹配光栅压缩器的色散特性，并理论证明了其在100 PW激光系统中的色散控制优势和实际可行性。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期，并被选为Editors’ Pick。

Fenxiang Wu, Jiabing Hu, Xingyan Liu, et al. Dispersion management for a 100 PW level laser using a mismatched-grating compressor[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e38

SEL-100 PW的结构如图1所示，包括高对比度种子源、双光栅展宽器、基于三硼酸锂(lithium triborate, LBO)晶体的三级OPCPA功率放大器以及重氢化磷酸二氢钾（deuterated potassium dihydrogen phosphate, DKDP)晶体的两级高能主放大器、非匹配光栅压缩器。上述OPCPA放大器具有非常宽的增益带宽，放大后的输出光谱能够支持亚15 fs的FTL脉宽。整个系统没有引入额外的色散控制元件，仅通过非匹配光栅压缩器来实现色散管理。

图1 SEL-100 PW激光系统的设计框架图

其中，展宽器所用的光栅刻线密度为1364 gr/mm，压缩器所用的光栅刻线密度为常用的1400 gr/mm。由于展宽器所需的光栅通常比压缩器中的光栅小的多，因此这里的非匹配光栅压缩器是通过优化展宽器中的光栅刻线密度来实现的。此外，也可以通过直接优化压缩器中的光栅刻线密度来实现。结果表明，基于上述非匹配光栅压缩器的SEL-100 PW激光系统（啁啾脉冲持续时间为~4 ns，频谱带宽为~210 nm）可以直接实现小于13 fs的近FTL压缩脉冲，如图2所示。

图2 根据系统设计(a)模拟的放大光谱和光谱相位，(b)FTL及压缩脉冲

此外，为了进一步验证非匹配光栅压缩器的实际可行性，该研究团队还全面深入地研究了非匹配光栅压缩器的容忍度，包括对展宽器校准误差的容忍度、对光栅刻线密度误差的容忍度、对激光系统中材料色散误差的容忍度以及对光栅刻线密度和材料色散同时存在误差的容忍度。图3展示了系统光栅刻线密度和材料色散同时存在误差情况下的输出脉宽。结果表明，通过平衡激光系统中的残余GDD、TOD和FOD，非匹配光栅压缩器在上述四个方面都可以实现良好的容忍度，并能实现近FTL压缩脉冲输出。

图3 光栅刻线密度和材料色散同时存在误差时系统输出脉宽情况的(a)三维图和(b)俯视图

总结与展望

本文研究了非匹配光栅压缩器在色散管理方面的优势和良好的容忍度，为其实际应用提供了重要支撑，为100 PW级超强超短激光的设计和研制提供了重要的指导。此外，非匹配光栅压缩器还能向下兼容PW及10 PW超强超短激光系统的色散管理。因此，未来可以为超强超短激光系统的色散管理提供一种新方案。

编辑 | 周琦雅

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