圖1.原理示意圖

近日，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室，提出了一種基于空間啁啾來改善相干合束激光裝置遠場光斑的新方案，相關研究成果以Power-in-bucket enhancement in tiled-aperture coherent beam combining through inducing spatial chirp為題，發表于PHYSICAL REVIEW APPLIED。

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

研究團隊提出一種基于空間啁啾來改善相干合束激光裝置遠場光斑的新方案。近場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，遠場的旁瓣得以減少，從而提高了桶中能量。對于具有兩個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到原來的1.8倍。在鈦寶石激光器實驗中，采用非對稱四光柵壓縮器來引入空間啁啾，驗證了模擬的效果。研究團隊還分析了四個子光束的情況，通過適當的空間啁啾可以實現了高達1.8的桶中能量增強倍數。在桶中能量增強的同時，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的增強倍數。同時，空間啁啾有助于勻滑近場光斑，減少激光空間強度調制。所提出的方法適用于不同的子光束數量和間隙寬度，普適性強且易拓展，有助于通過相干合束來可靠高效地構建超高峰值功率激光裝置。

圖2.實驗結果展示。(a-c)：空間色散分別為0、6.5和13 mm的近場光束。(d-f)：上述三種情況的遠場光束

相關研究得到了上海市自然科學基金、國家自然科學基金、上海市科技重大專項以及上海市高重頻XFEL極光站和極光設施的支持。

審核編輯 黃宇