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近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室劉軍研究員研究團隊與俄羅斯科學院Efim.Khazanov教授合作，在提高超高峰值功率激光器輸出能量閾值研究方面取得進展。研究成果以Ultrahigh-peak-power laser pulse compression by double-smoothing grating compressor為題在線發表于High Power Laser Science and Engineering。

超強超短脈沖激光的出現極大地促進了強場與物質相互作用的強場激光物理領域的發展。對于具有超高峰值功率的拍瓦級激光裝置，其聚焦強度范圍大多在 10¹⁹ -10²¹ W/cm²，可以被廣泛應用于 x-/γ-射線產生、等離子物理和粒子加速等領域。為了研究放射反應和等離子體中的量子電動力學效應，甚至要求激光聚焦強度達到 10²² -10²⁴ W/cm²，這意味著需要峰值功率達到數百 PW 的激光功率輸出。因此，如何進一步提升拍瓦激光器輸出峰值功率是當前研究的前沿。

光柵的損傷閾值和光斑空間調制度是限制高峰值功率激光輸出的關鍵因素。近年有研究表明，在CPA裝置的壓縮器中對光斑引入空間色散、進行空間勻滑可以有效地提高最終的輸出峰值功率。團隊提出使用二維勻滑壓縮器來引入橫向和縱向的空間色散的方案，對出射光斑的空間強度分布進行了二維勻滑，大大提高了輸出峰值功率上限。仿真結果表明，二維勻滑壓縮器（Double-smoothing grating compressor: DSGC）具有更好的勻滑能力，尤其是對于半徑大于 5 mm的熱點，能夠有效降低其空間調制度。在實驗上，團隊利用小型DSGC對從放大器出射的未補償脈沖進行了壓縮。結果證明，DSGC不僅具有和其它壓縮器相同的時域壓縮能力，且能夠明顯降低近場光斑的“峰值-平均強度比”，實現了 1.74 倍的出射能量提升。并且，通過對聚焦點的光斑分布進行測量，證明了DSGC對遠場光斑質量幾乎沒有影響。在實際工程應用中，DSGC無需任何其它的光學元件，可以僅僅靠改變壓縮器結構實現光斑勻滑，提高光柵利用效率，提升輸出脈沖能量，在超高峰值功率激光裝置上具有重要應用前景。

相關工作得到了國家自然科學基金支持。

原文鏈接

圖1仿真結果：(a)在不同的光柵對間距改變量下，LSIM和面外角關系曲線。紅色實線代表半徑為10 mm的熱點，藍色虛線代表半徑1 mm的熱點。圖(b)-(d)為從DSGC出射的脈沖光斑分布。光柵間距改變量分別為L=20，40和80 mm，面外角固定為5°。在Y=0 mm處沿X方向的強度分布如圖(e)所示。黑色、藍色和紅色線分別表示L=20、40和80 mm的情況。

圖2實驗結果：(a)-(c)分別為未進行調制的入射脈沖、僅加入縱向調制的入射脈沖和加入縱向、橫向調制的入射脈沖光斑。(d)-(f)分別為(a)-(c)對應的面外壓縮器(YSGC：引入了縱向空間色散)的出射光斑。(g)和(i)分別為(a)和(c)對應的DSGC的出射光斑。(h)為(c)、(f)和(i)在Y=0處沿X方向和在X=0處沿Y方向的強度分布。