如何让激光大角度转弯：旋转复用体布拉格光栅角度偏转放大器
激光的广域精准控制是人们一直在不断追求的目标。以万向节、快速转向镜、里斯利棱镜等装置为代表的机械式光束偏转器，虽然存在质量大、惯性大、易磨损等问题，但仍可以满足人们在一般情况下的需求。
随着系统的小型化趋势，更加轻便耐用的非机械式光束偏转器越来越受到人们的青睐。目前已经发展了的非机械式偏转装置如液晶光学相控阵(optical phased arrays based on dynamic liquid crystals, LCOPA)、液晶棱镜、电光偏转器、微透镜阵列等，各自有着独特的性能和优势，但大部分只能实现小范围的角度偏转。特别是在高能激光系统中，能够承受百瓦甚至千瓦量级功率的角度偏转器很难实现大角度的光束偏转。例如LCOPA可以承受百瓦量级的连续激光辐照，但在偏转角度过大(±5°)时表现出明显的效率下降趋势。因此，使用角度放大器来对偏转角度进行放大，成为了一种有效应对偏转角度不足的方案。
基于光敏热折变玻璃的体布拉格光栅拥有良好的高功率工作特性、较高的损伤阈值以及优异的环境稳定性，并且能够通过多路复用和级联实现对多角度入射的大角度放大，使其成为了角度放大器的优良候选之一。上海光机所薄膜光学实验室提出了一种基于旋转复用体布拉格光栅的角度放大器，并基于该结构给出了相应的通道优化算法。与经典的正交式体布拉格光栅角度放大器相比，旋转复用的引入不仅简化了设计流程，而且无需通过优化制造工艺来减少单块光栅内各路通道间的性能差异。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第1期的文章 (Yuanzhi Dong, Yunxia Jin, Fanyu Kong, Jingyin Zhao, Jianwei Mo, Dongbing He, Jing Sun, Jianda Shao. Angle amplifier in a 2D beam scanning system based on peristrophic multiplexed volume Bragg gratings[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 01000e13)。
实现6倍角度偏转放大
图1展示了整个广角二维光束扫描系统的构成，其中前置的LCOPA有着通道选择的功能，后置的LCOPA用来精准调控光束的输出角度，角度放大器由三块旋转复用体布拉格光栅级联组成，每一个光栅通道都能够将小角度的入射光衍射至较大的角度出射，通过光栅通道的旋转复用可以实现放大功能从一维到二维的扩展。
图2 偏转角度及衍射效率测量装置示意图
为了在偏转范围内实现连续的角度扫描，提出了一种以通道间波矢集合的相交程度为判据的通道数优化算法，可以计算出最优的光栅通道的复用数量和旋转复用角。实验制备了所设计的旋转复用体布拉格光栅角度放大器，并使用图2中的装置对样品的角度放大性能进行了测试。
图3 （a） 衍射效率和各通道的角度误差。每块光栅中第一通道的入射角（b）和出射角（c）的实验角度选择性曲线
实验结果如图3所示，结果表明所制备的旋转复用体布拉格光栅角度放大器实现了从±5°到±30°的二维全平面6倍角度放大，角度误差小于0.07°，所有光栅通道的相对衍射效率均大于55%且单块光栅内不同通道间的衍射效率均方根偏差小于3.4%。对三块体布拉格光栅的折射率调制度的拟合结果分别为1.16×10-3，1.57×10-3，1.37×10-3，这显示了光栅在实现更高衍射效率方面仍有潜力。此外，通过在各光栅间合理配置光栅通道，将可以改善多块光栅间的衍射效率差异，实现更高水平、更高一致性的衍射效率。
总结与展望
在高能激光系统中，本文提出的旋转复用体布拉格光栅角度放大器有着实现高性能、大角度光束转向的潜力。该技术在激光雷达、自由空间激光通信、激光武器和激光对抗等领域有着重要的潜在应用。未来课题组将在放大倍率、衍射效率等方面继续进行优化，以期达到更高的性能表现。
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高功率社区新闻速递：
1. CLF受委托制造的激光器DiPOLE100X (D100X)，在德国汉堡的欧洲XFEL上进行的首次正式试验中，数据的质量和数量均超过以往自由电子激光实验。2.伯克利实验室ATAP部门的研究人员，通过组合多个激光器的脉冲，创造了创纪录的短脉冲，这项工作可能会推动激光-等离子体加速器的发展。
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