数十拍瓦激光的福音：小角度使用兼TM偏振全介质脉冲压缩光栅
当前，国际上正在大力发展超强超短激光光源以及依托其而建造的前沿科技创新平台，尤其是获得了2018年诺贝尔物理学奖啁啾脉冲放大技术，引爆了拍瓦级高峰值功率竞赛热潮。脉冲压缩器作为超强超短激光装置的核心模块，在接下来的十年里，冲击更高功率的全球大激光装置建设任务将竞相上马，有望为激光聚变、粒子加速、阿秒科学（2023年诺贝尔物理学奖）、强场量子电动力学等重大前沿领域带来变革性技术。大口径钕玻璃窄带增益大能量激光装置是目前最为主流的一类拍瓦级光源，而光栅压缩器是其功率持续提升的瓶颈模块。
支持皮秒大能量脉冲展宽和压缩的高阈值全介质光栅是实现目前中国SG-II-UP、美国NIF-ARC等大激光装置压缩器能量负载能力提升的一个核心技术难题。在过去30年里，基于钕玻璃增益的高功率大激光装置均采用TE偏振高线密度大入射角型压缩方案。但是，受限于当前最大口径光栅的制造能力，这类方案产生的高投影比逐渐制约了压缩器可利用光栅的口径和能量负载能力、可用光栅的通量阈值也接近极限。
近期，中国科学院上海光机所邵建达、晋云霞研究员团队的研究首次揭示了介质型光栅的整套设计范式，并阐明TM偏振结合小使用角带来的光栅能量负载优势。研究利用介质型光栅设计策略，如图1所示。根据光栅线密度和使用角度定义了三个高效率光栅解区域，如图2所示，分别为稳区、异常区和湍区，相应的光栅构型为高色散大入射角型、低色散大偏离角型、低色散带方位角型。基于上述设计范式，以最小光栅内部电场增强（Electric Field Intensity, EFI）值为标准，示范了1740 g/mm-TE和1810 g/mm-TM超低EFI设计、1250 g/mm-TE大偏离角设计、1150 g/mm-TE+TM偏振无关设计。另外，研究通过定义能量缩放因子（γ值）来表征光栅表面的能量负载能力，并对比上述四套设计范例与SG-II、PETAL、NIF-ARC等大激光装置所采用的传统高线密度TE偏振介质光栅。其中低线密度TM偏振介质光栅有比传统光栅高出7倍的γ值，表明TM偏振结合小使用角带来的光栅压缩器能量负载优势，如图3所示。
图2 衍射效率与入射角、线密度之间的关系，其中光栅解区定义为四个区域：无解区R-I、稳区R-II、异常区R-III和湍区R-IV
图3 能量缩放因子分布，TM偏振结合小使用角可最大化光栅能量负载能力
自21世纪以来，介质型压缩光栅报道零散，且可用光栅的通量阈值也已经接近极限。系统性探索介质型光栅高效率解、寻求高阈值设计、有效利用大口径光栅的制造能力，是最大化光栅表面能量负载能力的核心问题。研究团队在前期成功研制低线密度偏振无关全介质光栅，其TE和TM双偏振衍射效率性能在1020~1080 nm的波长范围内处于同一水平，平均效率均超98%。之后首次利用多层倾角结构构建偏振无关全介质光栅，以偏振无关全介质光栅为平台，在同等激光、同等光栅光谱性能的条件下，研究全介质压缩光栅抗激光损伤能力对偏振态的响应情况。研究结果显示，TM偏振下1170 g/mm全介质光栅的1-on-1通量阈值为1.4~2.0 J/cm2、8.6 ps、1053±3 nm，约为TE偏振的1.55倍。通过分析损伤演化过程和创建生长模型，阐明了TM偏振全介质光栅具有低电场增强、对激发光强度的低敏感度、对损伤结构的低响应，以及低损伤生长动态。在上述工作的基础上，本研究进一步系统性揭示介质型光栅的设计范式，指明TM偏振结合小使用角可为研制高阈值介质光栅、建设大能量负载压缩器寻求新的技术路径。
未来，本团队提出的介质型光栅设计范式、TM偏振合小使用角的压缩器方案及无拼缝米级光栅技术路线将持续服务于我国大激光装置建设。
邵建达，博导，研究员，上海光机所党委书记 ，OPTICA Fellow，SPIE Fellow，光学学报副主编，PLD国际会议主席，中国材料与试验团体标准光学薄膜标准化技术委员会主任委员；国家某重大专项专家组成员，总师助理，光学元器件攻关组组长。2000年遴选为博导，至今共培养指导毕业了82名博士，11名硕士。长期从事激光元器件的研发工作。发表论文300余篇，参与编写专著2部，获授权专利190余项。带领团队获国家技术发明奖二等奖1项，上海市技术发明奖一等奖2项，安徽省科学技术奖一等奖1项，以及原总装军队科技进步奖二等奖1项；获“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖，国防科技工业协作配套先进个人，朱李月华优秀导师奖以及上海市嘉定区科技功臣，及十大杰出人才等称号。
中国科学院上海光学精密机械研究所
论文通讯作者，主要研究方向：高功率光学元件制造技术
晋云霞，研究员，博士生导师，曾先后担任中国科学院强激光材料重点实验室党支部书记、薄膜光学实验室副主任等职务。具有十余年强激光元件从业基础，2004年加入中国科学院上海光学精密机械研究所以来，主要从事强激光衍射光学元件工作，取得的创新成果已应用于国家近十个国家预研及型号装备任务，以第一作者和通信作者在Nature Communications等SCI期刊上共发表学术论文46篇，授权发明专利26项，先后主持国防科工局、上海市融办和重大专项等二十余项项目，获得上海市技术发明一等奖和军队科技进步一等奖等。
中国科学院上海光学精密机械研究所
第一作者，主要研究方向：高功率衍射光栅
韩昱行，中国科学院上海光学精密机械研究所博士后。主要从事高功率衍射光栅的研究工作，包括各波段脉冲压缩光栅、合束光栅的设计和制造、光栅损伤机制和阈值提升技术等。曾获上海市技术发明一等奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院上海分院科技攻关新星、北京市优秀毕业生等荣誉。入选第九届中国光学学会青年人才托举工程、中国科学院特别研究助理资助项目。
