超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百四十五期)

2024年8月28日

上海光機(jī)所提出基于空間啁啾實(shí)現(xiàn)相干合束焦斑改善新方案

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，提出了一種基于空間啁啾來改善相干合束激光裝置遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的新方案，相關(guān)研究成果以Power-in-bucket enhancement in tiled-aperture coherent beam combining through inducing spatial chirp為題，發(fā)表于PHYSICAL REVIEW APPLIED。

目前，受到非線性晶體和光柵等基本光學(xué)元件的損傷閾值、口徑大小和制造工藝等因素限制，單個(gè)光束的能量負(fù)載能力幾乎達(dá)到了極限，但仍然無法滿足日益增長(zhǎng)的高峰值功率在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用上的需求。Blanchot等人于2006年提出由多個(gè)子光束在空間上進(jìn)行相干合成形成一個(gè)整體光束的相干合束方案，并取得了發(fā)展和應(yīng)用。然而該方案始終存在一個(gè)問題，即子光斑之間自然存在間隙，聚焦后也不可避免地會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)光斑上留下一系列強(qiáng)度不小的旁瓣，導(dǎo)致桶中能量（這里指的是主瓣能量）減少，有效的峰值功率密度下降。

研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于空間啁啾來改善相干合束激光裝置遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的新方案。近場(chǎng)子光斑之間的間隙可以通過引入的空間啁啾來填充，該空間啁啾引入裝置可以是棱鏡或光柵等。間隙被填充后，遠(yuǎn)場(chǎng)的旁瓣得以減少，從而提高了桶中能量。對(duì)于具有兩個(gè)子光束的相干合束裝置，仿真研究表明，桶中能量在空間啁啾的幫助下可以增強(qiáng)到原來的1.8倍。在鈦寶石激光器實(shí)驗(yàn)中，采用非對(duì)稱四光柵壓縮器來引入空間啁啾，驗(yàn)證了模擬的效果。研究團(tuán)隊(duì)還分析了四個(gè)子光束的情況，通過適當(dāng)?shù)目臻g啁啾可以實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.8的桶中能量增強(qiáng)倍數(shù)。在桶中能量增強(qiáng)的同時(shí)，沒有明顯的能量損失或脈沖寬度變化，這意味著峰值功率密度也得到了相應(yīng)的增強(qiáng)倍數(shù)。同時(shí)，空間啁啾有助于勻滑近場(chǎng)光斑，減少激光空間強(qiáng)度調(diào)制。所提出的方法適用于不同的子光束數(shù)量和間隙寬度，普適性強(qiáng)且易拓展，有助于通過相干合束來可靠高效地構(gòu)建超高峰值功率激光裝置。

相關(guān)研究得到了上海市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)以及上海市高重頻XFEL極光站和極光設(shè)施的支持。

原文鏈接

圖1 原理示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。（a-c）：空間色散分別為0、6.5和13 mm的近場(chǎng)光束。（d-f）：上述三種情況的遠(yuǎn)場(chǎng)光束