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LLNL开发出高能脉冲压缩光栅,激光峰值功率高达10-50拍瓦

近日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)牵头合作的一项研究在高能脉冲激光领域获得了里程碑式的突破。该团队开发了新型大规模衍射光栅,能够提供功率最高达50拍瓦的超短激光脉冲(目前峰值功率已高达10拍瓦),有望成为世界上功率最强的激光器

到目前为止,该团队已经制作出了85×70厘米的高能、低色散(HELD)多层介质光栅,将安装在捷克布拉格附近的ELI-Beamlines装置的L4-ATON激光系统中。

L4-ATON可以在150飞秒(万亿分之一秒)的脉冲中产生1.5千焦耳(kJ)的能量,相当于高达10拍瓦的功率,重复频率为每分钟一次。

LLNL开发出高能脉冲压缩光栅,激光峰值功率高达10-50拍瓦

图片来源:LLNL实验室

这种HELD高能脉冲压缩光栅是由LLNL的衍射光学小组、ELI-Beamlines、加州Spectra Physics–Newport of Milpitas和位于德克萨斯州奥斯汀的美国激光器系统制造商National Energetics合作开发的。 其中,极端光基础设施光束项目(ELI-Beamlines)是欧盟和捷克政府投资70亿捷克克朗的一个项目,是欧洲ELI项目的三大支柱之一。

突破更优的介质光栅

基于啁啾脉冲放大(CPA)技术,L4-ATON等激光系统必须在不损坏光学元件的情况下拉伸、放大和压缩高能脉冲。这意味着所使用的脉冲压缩光栅必须足够强大有效,才能承受激光脉冲的高光子通量。

据悉,这些HELD光栅处理的总能量是目前最先进技术的3.4倍。HELD光栅尺寸为85×70厘米,配置为37度利特罗角(光栅效率最高的角度),能够实现更大的束宽(62.5厘米)。

美国国家点火设施衍射光学组负责人、LLNL高级激光科学家Hoang Nguyen解释:“增加光束高度是为了产生方形光束,并考虑LIDT(激光诱导损伤阈值)的差异。与此前版本的高色散、76.5度入射角光栅设计相比,其光栅总能量总共是大约3.4倍。

HELD光栅的优良均匀性,则是由于其在大范围沟槽宽度/高度以及稳定控制的介电层厚度上的高效率设计。”

衍射效率和带宽最大化

LLNL指出,在光栅的利特罗角上工作可以获得最大的衍射效率和带宽,但需要倾斜光栅的角度,使光束轻微向上反射,或偏离平面。

据介绍,这种新型光栅是基于多层介质(MLD)材料的。它们包括一个基片,基片上堆叠着不同折射率的介电镜层,上面是一层离子蚀刻的光敏胶。

MLD光栅的主要优点是,它们大大提高了光栅压缩器在宽波长范围内的衍射效率,就像在超短脉冲中发现的那样。与传统光栅中使用的金属不同,其介电材料是不导电的,据称吸收的能量比以前的设计少500倍。

虽然L4-ATON激光光束线使用目前的技术仅能提供10拍瓦的脉冲,LLNL团队认为,通过加入更大的米级HELD光栅,未来该系统的峰值功率可以达到20-50拍瓦,而这也将为等离子体和高能量密度物理、天体物理学、医疗诊断、工业加工等领域的研究打开更多更广的机会。

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