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近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員劉軍研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院科研人員合作，在提高超高峰值功率激光器輸出能量閾值研究方面取得進(jìn)展。

超強(qiáng)超短脈沖激光的出現(xiàn)極大促進(jìn)了強(qiáng)場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)場(chǎng)激光物理領(lǐng)域發(fā)展。對(duì)于具有超高峰值功率的拍瓦級(jí)激光裝置，其聚焦強(qiáng)度范圍大多在10¹⁹ -10²¹W/cm²，可以被廣泛應(yīng)用于x-/γ-射線產(chǎn)生、等離子物理和粒子加速等領(lǐng)域。為了研究放射反應(yīng)和等離子體中的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，甚至要求激光聚焦強(qiáng)度達(dá)到10²² -10²⁴W/cm²，這意味著需要峰值功率達(dá)到數(shù)百拍瓦的激光功率輸出。因此，如何進(jìn)一步提升拍瓦激光器輸出峰值功率是當(dāng)前研究的前沿。

光柵的損傷閾值和光斑空間調(diào)制度是限制高峰值功率激光輸出的關(guān)鍵因素。近年有研究表明，在CPA裝置的壓縮器中對(duì)光斑引入空間色散、進(jìn)行空間勻滑可以有效提高最終輸出峰值功率。研究團(tuán)隊(duì)提出使用二維勻滑壓縮器來(lái)引入橫向和縱向空間色散的方案，對(duì)出射光斑的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行了二維勻滑，大大提高了輸出峰值功率上限。仿真結(jié)果表明，二維勻滑壓縮器（DSGC）具有更好的勻滑能力，尤其是對(duì)于半徑大于5 mm的熱點(diǎn)，能夠有效降低其空間調(diào)制度。研究團(tuán)隊(duì)利用小型DSGC對(duì)從放大器出射的未補(bǔ)償脈沖進(jìn)行了壓縮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，DSGC不僅具有和其他壓縮器相同的時(shí)域壓縮能力，且能夠明顯降低近場(chǎng)光斑的峰值-平均強(qiáng)度比，實(shí)現(xiàn)了1.74倍的出射能量提升。此外，通過(guò)對(duì)聚焦點(diǎn)的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，證明了DSGC對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，DSGC無(wú)需任何其他光學(xué)元件，可僅僅靠改變壓縮器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光斑勻滑，提高光柵利用效率，提升輸出脈沖能量，在超高峰值功率激光裝置上具有重要應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果以Ultrahigh-peak-power laser pulse compression by double-smoothing grating compressor為題，發(fā)表于《高功率激光科學(xué)與工程》（High Power Laser Science and Engineering）。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果