国外研究出最新大规模衍射光栅有望实现50PW激光脉冲

由劳伦斯－利弗莫尔国家实验室（LLNL）协调的一项研究合作已经开发出了新的大规模衍射光栅，被认为能够提供功率高达50 petawatts的超短激光脉冲。
 

到目前为止，该团队已经生产出了尺寸为85 x 70厘米的高能脉冲压缩光栅，该光栅将被安装在捷克共和国布拉格附近的ELI－Beamlines设施的L4－ATON激光系统中。L4－ATON预计可以在150飞秒（四亿分之一秒）的脉冲中产生1．5千焦耳（kJ）的能量，相当于前所未有的10 petawatts的功率，重复率为每分钟一次。

一名技术人员检查最近制作的八个HELD光栅中的一个，该光栅将安装在L4－ATON激光系统的18米长、55吨的压缩机上。图片来源：LLNL

基于获得诺贝尔奖的啁啾脉冲放大（CPA）技术，L4－ATON等激光系统必须拉伸、放大和压缩高能量脉冲而不损坏光学元件。这意味着所使用的脉冲压缩光栅必须足够大、有效和坚固，以承受激光脉冲的高光子流量。通过与ELI－Beamlines公司、Spectra Physics公司和位于德克萨斯州的National Energetics公司一起合作，LLNL的衍射光学组生产了高能量、低色散（HELD）的多层介质光栅。

LLNL高级激光科学家Hoang Nguyen解释说，据说它们处理的总能量比目前最先进的技术多三倍左右。他表示：“85×70厘米的HELD光栅，配置在37度的Littrow角（最大光栅效率的角度），允许更大的光束宽度－62．5厘米。增加光束高度以产生方形光束，并考虑到LIDT（激光诱发损伤阈值）的差异，与ARC高分散、76．5度入射角的光栅设计相比，光栅上的总能量大约是3．4倍。”

Nguyen还补充说：“HELD光栅出色的均匀性是由于在大范围的沟槽宽度和高度上具有很高的效率，以及很好地控制了电介质层的厚度。在光栅的Littrow角下工作可获得最大的衍射效率和带宽，但需要倾斜光栅的角度，使光束略微向上反射，或超出平面。”

多层电介质（MLD）光栅由一个基底组成，在基底上堆积着具有不同折射率的电介质镜层，上面有一层离子蚀刻的光刻胶，这是一种对光敏感的材料，被微调为所需的衍射规格。MLD光栅可以在大带宽或频率范围内大幅提高光栅压缩机的衍射效率。与传统光栅中使用的金属不同，电介质材料是不导电的，可以比以前的设计少吸收500倍的能量。

L4－ATON激光器以埃及太阳神的名字命名，是NIF与光子科学局设计、开发和建造的L3－HAPLS激光系统的配套产品，于2017年交付给ELI－Beamlines。L3－HAPLS（高重复率先进佩塔瓦特激光系统）也受益于LLNL光栅技术的进步。

L4－ATON是由National Energetics领导的财团与立陶宛激光器制造商Ekspla和ELI－Beamlines合作开发的。此外，HELD光栅是LLNL获得2022年研发100奖的三项技术之一。它可以提供比目前最先进技术多3．4倍的总能量，由LLNL的衍射光学组、ELI－Beamlines、加州的Spectra Physics－Newport和德克萨斯州的National Energetics合作开发。