“抽丝剥茧”: 揭开高能拍瓦激光系统用脉冲压缩光栅损伤的“面纱”

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利用啁啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification, CPA）实现高能拍瓦激光输出的大激光装置在高能物理、粒子加速、激光聚变等众多研究领域有重要应用。随着激光峰值输出功率的不断提升，激光对内部光学元件造成的损伤问题成为了制约激光系统极限输出能力的关键瓶颈因素。

脉冲压缩光栅的激光损伤问题

CPA技术对激光脉冲进行时域展宽，展宽后的脉冲经过增益介质放大，获得大能量，再经过时域压缩，从而实现高峰值功率激光输出。脉宽越长，光学元件能够承受的脉冲能量越大，CPA技术巧妙地化解了放大传输过程中光学元件的损伤问题，但是却将元件损伤的重压转移到了CPA技术必不可少的核心元件——终端脉冲压缩光栅上。

终端脉冲压缩光栅工作在百飞秒至数十皮秒激光脉宽下，多栅条连贯损伤是其在皮秒激光作用的典型损伤之一，厘清该损伤形成机理是科研人员的研究热点。Svakhin等人通过对光栅支柱加载具有高斯时间依赖性的压力脉冲，模拟了10 ps激光脉冲在光栅支柱内部的应力波，预测施加压力的高度将成为潜在的损伤区域，然而却未能解释支柱底部断裂分离的现象。Hoffman等人报道了三个相邻光栅柱大面积移除的损伤特征，推测损伤是由中间柱的内部缺陷驱动，但光栅栅条断裂的动力学过程仍未得到充分的理解。

多栅条连贯损伤的动力学过程

近日，上海光机所薄膜光学实验室与武汉理工大学、中国科学技术大学及中国工程物理研究院激光聚变研究中心等单位开展合作，通过提取单个皮秒激光脉冲诱导多层介质光栅损伤的典型形貌特征，并结合光栅材料电离喷发的力学模型，深入解析了皮秒激光作用下脉冲压缩光栅典型多栅条连贯损伤的动力学过程，为其皮秒抗激光损伤性能提升指明了方向。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期的文章。

（Kun Shuai, Xiaofeng Liu, Yuanan Zhao, et al. Multilayer dielectric grating pillar-removal damage induced by a picosecond laser [J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e42）

脉冲压缩光栅在皮秒激光脉冲辐照下的损伤形貌具有三种典型结构特征，如图1所示：①光栅柱背光侧表面的微小缺失；②光栅柱顶部的较大移除；③两个或多个相邻光栅柱的连贯损伤，受损栅条的中心沿水平方向排列，且相邻栅条破坏的扩散方向与激光传播方向一致，破坏并未涉及光栅内部的高反膜层结构。通过对上述典型损伤特征的提取与关联，并结合理论模拟证实了多栅条连贯损伤与左侧受损柱的局部材料喷发冲击过程有关。

图1 (a)脉冲压缩光栅皮秒激光损伤的典型形貌; (b)-(d)为(a)图中三个黑色矩形区域的局部放大视图；入射激光从图左侧照射到光栅表面

光栅内部电场仿真结果表明入射激光首先在其浮雕结构的背光侧形成电场增强（如图2所示），这与图1（b）中栅条背光侧的微小缺失相关联，这些微小的离散损伤点特征体现了一种由光栅浅层缺陷所诱导的破坏过程。光栅场增强区域夹杂的浅层缺陷通过对激光能量的强烈吸收，使得局部介质材料快速电离形成等离子体并导致材料喷发，不同的喷发程度形成上述三类损伤，喷发物的冲击压力导致相邻栅条断裂。

图2 (a)光栅电场仿真模型示意图; (b)光栅内部的电场分布

图3中应力仿真结果表明，光栅局部材料电离后产生的喷发压力，在其相邻栅条根部形成了应力集中并足以造成损坏，这与实验中观察的损伤特征相吻合。栅条内部缺陷、强场及栅条强度共同影响光栅的皮秒激光损伤过程。

图3 （a）二维有限元应力仿真模型示意图，左侧光栅柱的局部喷发导致右侧柱受到向右冲击压力；（b）右侧柱中沿y方向的法向应力分布；（c）右侧柱中沿x方向的法向应力分布；图中正、负值分别代表拉伸与压缩应力

总结与展望

本文揭示了光栅支柱间的动态喷发诱导损伤的相互作用过程，加深了对脉冲压缩光栅的皮秒激光损伤机制的理解，为光栅皮秒抗激光损伤能力的提升提供了指导方向。

编辑 | 周琦雅

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