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超强激光科学卓越创新简报

(第六百八十八期)

2025年7月23日

上海光机所在提高超高峰值功率激光装置输出能量阈值研究中取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室刘军研究员研究团队与俄罗斯科学院Efim.Khazanov教授合作，在提高超高峰值功率激光器输出能量阈值研究方面取得进展。研究成果以Ultrahigh-peak-power laser pulse compression by double-smoothing grating compressor为题在线发表于High Power Laser Science and Engineering。

超强超短脉冲激光的出现极大地促进了强场与物质相互作用的强场激光物理领域的发展。对于具有超高峰值功率的拍瓦级激光装置，其聚焦强度范围大多在 1019 -1021 W/cm2，可以被广泛应用于 x-/γ-射线产生、等离子物理和粒子加速等领域。为了研究放射反应和等离子体中的量子电动力学效应，甚至要求激光聚焦强度达到 1022 -1024 W/cm2，这意味着需要峰值功率达到数百 PW 的激光功率输出。因此，如何进一步提升拍瓦激光器输出峰值功率是当前研究的前沿。

光栅的损伤阈值和光斑空间调制度是限制高峰值功率激光输出的关键因素。近年有研究表明，在CPA装置的压缩器中对光斑引入空间色散、进行空间匀滑可以有效地提高最终的输出峰值功率。团队提出使用二维匀滑压缩器来引入横向和纵向的空间色散的方案，对出射光斑的空间强度分布进行了二维匀滑，大大提高了输出峰值功率上限。仿真结果表明，二维匀滑压缩器（Double-smoothing grating compressor: DSGC）具有更好的匀滑能力，尤其是对于半径大于 5 mm的热点，能够有效降低其空间调制度。在实验上，团队利用小型DSGC对从放大器出射的未补偿脉冲进行了压缩。结果证明，DSGC不仅具有和其它压缩器相同的时域压缩能力，且能够明显降低近场光斑的“峰值-平均强度比”，实现了 1.74 倍的出射能量提升。并且，通过对聚焦点的光斑分布进行测量，证明了DSGC对远场光斑质量几乎没有影响。在实际工程应用中，DSGC无需任何其它的光学元件，可以仅仅靠改变压缩器结构实现光斑匀滑，提高光栅利用效率，提升输出脉冲能量，在超高峰值功率激光装置上具有重要应用前景。

相关工作得到了国家自然科学基金支持。

原文链接

图1仿真结果：(a)在不同的光栅对间距改变量下，LSIM和面外角关系曲线。红色实线代表半径为10 mm的热点，蓝色虚线代表半径1 mm的热点。图(b)-(d)为从DSGC出射的脉冲光斑分布。光栅间距改变量分别为L=20，40和80 mm，面外角固定为5°。在Y=0 mm处沿X方向的强度分布如图(e)所示。黑色、蓝色和红色线分别表示L=20、40和80 mm的情况。

图2实验结果：(a)-(c)分别为未进行调制的入射脉冲、仅加入纵向调制的入射脉冲和加入纵向、横向调制的入射脉冲光斑。(d)-(f)分别为(a)-(c)对应的面外压缩器(YSGC：引入了纵向空间色散)的出射光斑。(g)和(i)分别为(a)和(c)对应的DSGC的出射光斑。(h)为(c)、(f)和(i)在Y=0处沿X方向和在X=0处沿Y方向的强度分布。

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