超强激光科学卓越创新简报

(第五百四十五期)

2024年8月28日

上海光机所提出基于空间啁啾实现相干合束焦斑改善新方案

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，提出了一种基于空间啁啾来改善相干合束激光装置远场光斑的新方案，相关研究成果以Power-in-bucket enhancement in tiled-aperture coherent beam combining through inducing spatial chirp为题，发表于PHYSICAL REVIEW APPLIED。

目前，受到非线性晶体和光栅等基本光学元件的损伤阈值、口径大小和制造工艺等因素限制，单个光束的能量负载能力几乎达到了极限，但仍然无法满足日益增长的高峰值功率在实验和应用上的需求。Blanchot等人于2006年提出由多个子光束在空间上进行相干合成形成一个整体光束的相干合束方案，并取得了发展和应用。然而该方案始终存在一个问题，即子光斑之间自然存在间隙，聚焦后也不可避免地会在远场光斑上留下一系列强度不小的旁瓣，导致桶中能量（这里指的是主瓣能量）减少，有效的峰值功率密度下降。

研究团队提出一种基于空间啁啾来改善相干合束激光装置远场光斑的新方案。近场子光斑之间的间隙可以通过引入的空间啁啾来填充，该空间啁啾引入装置可以是棱镜或光栅等。间隙被填充后，远场的旁瓣得以减少，从而提高了桶中能量。对于具有两个子光束的相干合束装置，仿真研究表明，桶中能量在空间啁啾的帮助下可以增强到原来的1.8倍。在钛宝石激光器实验中，采用非对称四光栅压缩器来引入空间啁啾，验证了模拟的效果。研究团队还分析了四个子光束的情况，通过适当的空间啁啾可以实现了高达1.8的桶中能量增强倍数。在桶中能量增强的同时，没有明显的能量损失或脉冲宽度变化，这意味着峰值功率密度也得到了相应的增强倍数。同时，空间啁啾有助于匀滑近场光斑，减少激光空间强度调制。所提出的方法适用于不同的子光束数量和间隙宽度，普适性强且易拓展，有助于通过相干合束来可靠高效地构建超高峰值功率激光装置。

相关研究得到了上海市自然科学基金、国家自然科学基金、上海市科技重大专项以及上海市高重频XFEL极光站和极光设施的支持。

原文链接

图1 原理示意图

图2 实验结果展示。（a-c）：空间色散分别为0、6.5和13 mm的近场光束。（d-f）：上述三种情况的远场光束