脉冲后压缩技术
啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parametric chirped pulse amplification, OPCPA)技术的发明推动了超强超短激光的迅猛发展。超强超短激光已经实现了10 PW峰值功率和1023 W/cm2的聚焦峰值强度，为开展物质结构、运动和相互作用研究创造了前所未有的实验手段和极端物理条件，并促进了一大批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。目前世界范围内超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，超高峰值功率激光也已成为未来重要的发展趋势。
在CPA或OPCPA系统中通过啁啾脉冲能量放大持续提升脉冲峰值功率的方式，使得超强超短激光装置的建造成本、占地规模、运行效率以及能耗等问题日益凸显。同时，激光增益介质的尺寸以及光栅的损伤阈值等问题也将极大地制约超高峰值功率激光的发展。如何更经济、更有效地提升脉冲峰值功率，已成为本领域亟需解决的重大科学问题。有别于常规CPA和OPCPA技术，脉冲后压缩技术是通过非线性压缩方案进一步缩短脉冲宽度而非增加脉冲能量来提升脉冲峰值功率，该技术有望克服上述问题，为发展超高峰值功率激光提供更为经济有效的技术途径。
大能量飞秒脉冲后压缩技术在近年来获得了显著的研究进展，但面向实际应用仍需解决若干关键技术问题，其一就是空间小尺寸自聚焦问题。空间小尺寸自聚焦会使得局域光强急剧增加，严重损害光束质量并造成光学元件损伤，是当前限制脉冲后压缩技术发展和应用的瓶颈问题。因此，面向超高峰值功率激光的重要发展趋势，创新发展脉冲后压缩技术并克服空间小尺寸自聚焦问题，具有重要的科学意义和应用价值。
脉冲后压缩技术的创新发展
近日，上海光机所强场激光物理国家重点实验室提出了一种基于非对称四光栅压缩器的新型脉冲后压缩方案。通过数值研究证明，在利用非对称四光栅压缩器完成放大脉冲压缩的同时引入适量空间色散，可有效改善高峰值功率飞秒激光的空间强度均匀性。匀滑后的30 fs激光脉冲在通过熔融石英薄片获得非线性光谱展宽的同时，空间小尺寸自聚焦也得到了明显的抑制，最后利用啁啾镜将激光脉冲进一步压缩到9 fs，使得脉冲峰值功率获得显著提升。
成果发表在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))。
图1 传统与新型脉冲后压缩方案结构图
该新型脉冲后压缩方案的结构如图1所示，包括非对称四光栅压缩器（G1’，G2，G3，G4’，L1 ≠ L2）、熔融石英薄片和脉冲再压缩装置（啁啾镜）。常规四光栅压缩器（G1，G2，G3，G4，L1 = L2）和非对称四光栅压缩器输出脉冲及脉冲经光谱展宽后的光通量分布分别如图2所示。显然，非对称四光栅压缩器实现了很好的光束匀滑，并有效抑制了光谱展宽过程中的小尺寸自聚焦。
图2 常规四光栅压缩器（a）输出脉冲光通量分布及（b）脉冲经非线性光谱展宽后的局部光通量分布；非对称四光栅压缩器（c）输出脉冲光通量分布及（d）脉冲经非线性光谱展宽后脉冲的局部光通量分布
对于现有的脉冲后压缩技术，抑制空间小尺寸自聚焦问题的方法通常有两种。一是通过间隔式排列多级固体薄片实现光束的空间自滤波，但往往需要很长的自滤波距离才能达到较好的抑制效果，因此实际应用比较困难，尤其是对于高峰值功率激光器；二是引入空间滤波器消除光束空间高频噪声，但对于宽带的高峰值功率激光，空间滤波器设计复杂且研制成本较高。本工作创新性地将非对称四光栅压缩器和脉冲后压缩技术进行了有机结合，在无需增加激光装置元器件和建造成本的条件下，有效抑制了脉冲后压缩过程中的空间小尺寸自聚焦问题。该方案既简单经济，又切实有效，为推动脉冲后压缩技术乃至超高峰值功率激光的发展提供了新的技术途径。
总结与展望 脉冲后压缩技术的创新发展，一方面可为发展超高峰值功率激光提供新的技术途径，另一方面也可为发展具有更小尺寸、更低成本、更高重频乃至更低能耗的超强超短激光提供新的研究思路。在后续工作中，将基于现有的数值模拟开展实验研究，进一步验证该技术方案的可行性和优越性。
