上海光机所实现用于单周期艾瓦激光的超宽带脉冲压缩光栅

2023-09-28 11:25

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵建达研究员、晋云霞研究员团队和张江实验室李朝阳研究员在超宽带脉冲压缩光栅领域取得突破性进展。研究团队针对单周期脉冲压缩需求，成功研制超400 nm宽带金光栅，其在750－1150 nm 的波长范围内衍射效率大于90％，比现役金光栅带宽提升近一倍，并且其研制口径可进一步推向米量级。相关成果以“400nm ultra－broadband gratings for near－single－cycle 100 Petawatt lasers”为题发表于《自然－通讯》。

拍瓦激光器的脉冲宽度从目前10－20个周期压缩到单周期（3．3 fs）结合大能量的载入被认为是实现艾瓦激光的未来。研究团队长期深耕于宽带高阈值脉冲压缩光栅领域。在本项工作进展中，超宽带金光栅的仿真设计取得突破，引入方位角扩展了设计和应用自由度；实验上掌握了光栅槽形演化规律，发明了大底宽小尖角金光栅技术（专利号：CN114879293B），成功研制1443 g／mm和1527 g／mm超400 nm宽带金光栅（图1）。如此宽带和高阈值（优于0．3J／cm²）的超宽带光栅将在宽角非共线光参量啁啾脉冲放大系统【WNOPCPA，Laser Photonics Rev 17， 2100705（2022）． https：／／doi．org／10．1002／lpor．202100705】中发挥关键性作用，理论计算证明其足以支撑 4 fs 脉冲压缩，可将实现百拍瓦需要的光栅口径从米级缩减至半米级。

图 1 400 nm超宽带金光栅

啁啾脉冲放大（CPA）及其衍生技术推动激光峰值功率从太瓦推向10PW量级，脉冲压缩器已成为高功率超强超短激光装置的核心模块。受限于大口径、宽光谱、高阈值压缩光栅的单路负载能力，中、欧、美、俄、韩等国均已部署多路相干合成100 PW乃至艾瓦量级的激光设施建设。除此外，单周期（3．3fs）脉冲也是产生艾瓦级激光的重要策略之一。近些年来，WNOPCPA等技术能够在工程上支撑增益介质的带宽拓展至 400 nm，从而支撑 3－6 fs的傅里叶变换极限脉冲。支持单周期脉冲展宽和压缩的超宽带光栅是实现单周期艾瓦激光的一个核心技术难题。目前，团队正将超宽带光栅的口径推向米级，并将其应用于单周期艾瓦激光的原理样机。

研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部、上海市战略新兴产业项目的支持。

上海光机所实现用于单周期艾瓦激光的超宽带脉冲压缩光栅