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在CPA或OPCPA系統(tǒng)中通過啁啾脈沖能量放大持續(xù)提升脈沖峰值功率的方式，使得超強超短激光裝置的建造成本、占地規(guī)模、運行效率以及能耗等問題日益凸顯。同時，激光增益介質(zhì)的尺寸以及光柵的損傷閾值等問題也將極大地制約超高峰值功率激光的發(fā)展。如何更經(jīng)濟、更有效地提升脈沖峰值功率，已成為本領(lǐng)域亟需解決的重大科學(xué)問題。有別于常規(guī)CPA和OPCPA技術(shù)，脈沖后壓縮技術(shù)是通過非線性壓縮方案進一步縮短脈沖寬度而非增加脈沖能量來提升脈沖峰值功率，該技術(shù)有望克服上述問題，為發(fā)展超高峰值功率激光提供更為經(jīng)濟有效的技術(shù)途徑。

大能量飛秒脈沖后壓縮技術(shù)在近年來獲得了顯著的研究進展，但面向?qū)嶋H應(yīng)用仍需解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題，其一就是空間小尺寸自聚焦問題。空間小尺寸自聚焦會使得局域光強急劇增加，嚴(yán)重損害光束質(zhì)量并造成光學(xué)元件損傷，是當(dāng)前限制脈沖后壓縮技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸問題。因此，面向超高峰值功率激光的重要發(fā)展趨勢，創(chuàng)新發(fā)展脈沖后壓縮技術(shù)并克服空間小尺寸自聚焦問題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

近日，上海光機所強場激光物理國家重點實驗室提出了一種基于非對稱四光柵壓縮器的新型脈沖后壓縮方案。通過數(shù)值研究證明，在利用非對稱四光柵壓縮器完成放大脈沖壓縮的同時引入適量空間色散，可有效改善高峰值功率飛秒激光的空間強度均勻性。勻滑后的30 fs激光脈沖在通過熔融石英薄片獲得非線性光譜展寬的同時，空間小尺寸自聚焦也得到了明顯的抑制，最后利用啁啾鏡將激光脈沖進一步壓縮到9 fs，使得脈沖峰值功率獲得顯著提升。

成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期的文章(Shuren Pan, Fenxiang Wu, Yang Zhao, Jiabing Hu, Zongxin Zhang, Yi Xu, Yuxin Leng, Ruxin Li, Efim Khazanov, "A novel small-scale self-focusing suppression method for post-compression in high peak power lasers," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e49 (2024))。

圖1 傳統(tǒng)與新型脈沖后壓縮方案結(jié)構(gòu)圖

該新型脈沖后壓縮方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括非對稱四光柵壓縮器（G₁’，G₂，G₃，G₄’，L₁ ≠ L₂）、熔融石英薄片和脈沖再壓縮裝置（啁啾鏡）。常規(guī)四光柵壓縮器（G₁，G₂，G₃，G₄，L₁ = L₂）和非對稱四光柵壓縮器輸出脈沖及脈沖經(jīng)光譜展寬后的光通量分布分別如圖2所示。顯然，非對稱四光柵壓縮器實現(xiàn)了很好的光束勻滑，并有效抑制了光譜展寬過程中的小尺寸自聚焦。

圖2 常規(guī)四光柵壓縮器（a）輸出脈沖光通量分布及（b）脈沖經(jīng)非線性光譜展寬后的局部光通量分布；非對稱四光柵壓縮器（c）輸出脈沖光通量分布及（d）脈沖經(jīng)非線性光譜展寬后脈沖的局部光通量分布

對于現(xiàn)有的脈沖后壓縮技術(shù)，抑制空間小尺寸自聚焦問題的方法通常有兩種。一是通過間隔式排列多級固體薄片實現(xiàn)光束的空間自濾波，但往往需要很長的自濾波距離才能達到較好的抑制效果，因此實際應(yīng)用比較困難，尤其是對于高峰值功率激光器；二是引入空間濾波器消除光束空間高頻噪聲，但對于寬帶的高峰值功率激光，空間濾波器設(shè)計復(fù)雜且研制成本較高。本工作創(chuàng)新性地將非對稱四光柵壓縮器和脈沖后壓縮技術(shù)進行了有機結(jié)合，在無需增加激光裝置元器件和建造成本的條件下，有效抑制了脈沖后壓縮過程中的空間小尺寸自聚焦問題。該方案既簡單經(jīng)濟，又切實有效，為推動脈沖后壓縮技術(shù)乃至超高峰值功率激光的發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。