脈沖壓縮光柵的作用及發(fā)展歷史

一、進(jìn)入*超短激光和強場(chǎng)激光物理

*超短激光(峰值功率＞1TW(1TW=1012W)，脈沖寬度＜100fs)的出現與迅猛發(fā)展，為人類(lèi)提供了qian所未有的極嚴苛物理條件與全新實(shí)驗手段。自然界中只有在恒星內部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度，甚至超高能量密度的ji端條件已能在實(shí)驗室內創(chuàng )造。

目前實(shí)驗室內臺式激光系統已經(jīng)可產(chǎn)生高重復頻率的超短脈沖(從100fs到10fs級)且超高功率(從100TW到1000TW級)的激光輸出。目前，*超短激光經(jīng)聚焦的最高光強已達到1022～23W/cm2量級。這么高的光強到底是什么概念呢？

光強1021W/cm2約等于地球接收到的太陽(yáng)總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細的尺度。自然界中已知的最高光強是達到1020W/cm2量級的宇宙伽瑪射線(xiàn)暴的強度，所以*超短激光被認為是已知的最亮光源之一。

強超短激光可以驅動(dòng)產(chǎn)生超快高性能粒子束，為高能粒子加速器的發(fā)展帶來(lái)重要補充。與高能粒子加速器等相比，*超短激光驅動(dòng)產(chǎn)生的超快電子、質(zhì)子和重離子粒子束時(shí)間尺度短(可達到數飛秒)，峰值流強大，這是傳統加速器難以提供的，為高能粒子束的應用提供了*優(yōu)勢，使超快瞬態(tài)檢測等成為可能。

與傳統的基于反應堆的中子源相比，*超短激光驅動(dòng)產(chǎn)生的超快中子束，不僅具有脈沖寬度可以達到皮秒量級的優(yōu)點(diǎn)，而且具有安全可控等優(yōu)勢，為特殊材料的動(dòng)力學(xué)檢測提供了*的技術(shù)手段。

*超短激光裝置與現有的高能粒子加速器和反應堆等大科學(xué)裝置產(chǎn)生的高流強粒子束互補，不僅可為用戶(hù)提供新的研究條件，也可催生出新研究方向與新用戶(hù)。

目前，*超短激光正處于取得重大科學(xué)技術(shù)突破和開(kāi)拓重大應用的關(guān)鍵階段，未來(lái)幾年激光的聚焦強度可能達到甚至突破1023W/cm2。此外，這種*光場(chǎng)在時(shí)間范疇又是極超快的。

*超短激光的中心波長(cháng)一般是在近紅外波段，其脈沖寬度已可壓縮至數飛秒，與激光場(chǎng)的振蕩周期(如中心波長(cháng)為800 nm的激光脈沖其光場(chǎng)振蕩周期為2.67 fs)可以比擬；而利用*超短激光驅動(dòng)產(chǎn)生的極紫外乃至X射線(xiàn)波段相干輻射，其脈沖寬度已經(jīng)突破飛秒量級進(jìn)入阿秒(as，1as=10-18s)量級的新范疇，未來(lái)有可能進(jìn)入到仄秒(zs，1zs =10-21s)量級。這種極超快時(shí)間尺度的強光場(chǎng)的產(chǎn)生和應用，開(kāi)拓與發(fā)展了阿秒科學(xué)全新領(lǐng)域(圖1)。

圖1 *超短激光的發(fā)展歷程與科學(xué)新領(lǐng)域的開(kāi)拓

*超短激光的發(fā)展與應用是激光科技的前沿與競爭重點(diǎn)領(lǐng)域，正如《Science》雜志專(zhuān)欄文章指出“這項工作將影響從聚變到天體物理的每一項研究”。

光強1021W/cm2能夠產(chǎn)生的極條件主要包括：

(1)*電場(chǎng)：~1012V/cm，氫原子庫侖場(chǎng)強的170倍；

(2)超高磁場(chǎng)：~105T的*范圍；

(3)超高能量密度：達到3×1010J/cm3(相當于20t/m3 爆炸釋放的能量)；

(4)巨大光壓：接近1017Pa量級；

(5)相對論效應主導：電子動(dòng)能10MeV，超過(guò)電子靜能(0.5MeV)。

此外，*超短激光可以驅動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源(圖2)，波長(cháng)覆蓋從THz、紅外、紫外、X射線(xiàn)到γ射線(xiàn)波段，具有極超快的脈沖寬度。盡管光子平均通量低，但峰值亮度在某些波段上超過(guò)過(guò)其他大型光源，而在某些波段又是相干的，與同步輻射光源等可以提供的高通量光子束線(xiàn)等相比，各自既有不可替代性，又優(yōu)勢互補。

在工業(yè)加工領(lǐng)域，皮秒或飛秒短脈沖激光由于具有*的峰值功率，可瞬間氣化或熔化材料，達到傳統加工方式無(wú)法達到的精密度和質(zhì)量，已成為當前激光加工業(yè)的發(fā)展趨勢，被廣泛應用于微電子、半導體制造、顯示、消費類(lèi)電子、醫療精密設備、太陽(yáng)能制造等行業(yè)，并將開(kāi)辟精細加工的新市場(chǎng)。

圖2 *超短激光驅動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源

二、*激光實(shí)現的重要手段-啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)

1960年，美國休斯飛機公司的科學(xué)家梅曼(T.Maiman)博士研制出臺紅寶石激光器。1962年，調Q激光技術(shù)誕生，它的發(fā)明使得激光脈沖進(jìn)入納秒(ns，1ns=10-9s)量級。1964年，鎖模激光技術(shù)被發(fā)明。鎖模激光技術(shù)的提出和發(fā)展使得脈沖寬度進(jìn)一步壓縮至皮秒(ps，1ps=10-12s)甚至飛秒(fs，1fs=10-15s)量級。長(cháng)期以來(lái)由于沒(méi)有新技術(shù)的出現，導致激光能量增長(cháng)停滯不前，直接限制了激光峰值功率乃至聚焦強度的提升。

1985年，美國的科學(xué)家D. Strickland和G.Mourou在《Optics Communications》雜志上，發(fā)表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,CPA)技術(shù)概念的文章。這是高峰值功率脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，開(kāi)辟了*超短激光和強場(chǎng)激光物理的新研究方向。

該技術(shù)的基本原理是：首先利用色散將飛秒激光脈沖通過(guò)展寬器在時(shí)間上進(jìn)行展寬，使脈沖寬度達到幾百皮秒甚至納秒量級；展寬后的脈沖在經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)放大后，充分提取了激光介質(zhì)的儲能；最后經(jīng)過(guò)與展寬器具有相反色散的壓縮器將脈沖寬度壓縮至接近最初的脈寬值(圖1)。

啁啾脈沖放大技術(shù)可以保證放大前后脈沖的寬度基本一致，而脈沖的能量卻可以提高若干數量級，從而大幅度地提升了激光脈沖的峰值功率。它解決了高峰值功率條件下，由于介質(zhì)的非線(xiàn)性效應造成的光學(xué)元件損傷、脈沖光斑質(zhì)量下降等問(wèn)題，使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。

利用CPA技術(shù)已經(jīng)可以獲得峰值功率達到拍瓦乃至10拍瓦量級的激光脈沖放大輸出。目前，的*超短激光系統都是基于CPA技術(shù)而建立的。

發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)使法國科學(xué)家Gérard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland 獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎，獲獎原因正是他們發(fā)明了產(chǎn)生*超短光學(xué)脈沖的方法，且他們的發(fā)明革命性地改變了激光物理，特別是促進(jìn)了該技術(shù)在更多新研究領(lǐng)域的應用。

圖3 *超短激光：啁啾脈沖放大

三、啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的核心部件——脈沖壓縮光柵

脈沖壓縮光柵是啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的核心部件，處于強激光系統能量放大的最末端，脈沖壓縮光柵的通光效率和損傷閾值的提高都對強激光束的能量、峰值功率的提升起到極為關(guān)鍵的作用。

脈沖壓縮器的結構由兩個(gè)平行放置的光柵及一個(gè)反射鏡構成，結構如圖3淺紅色橢圓所示。反射式脈沖壓縮器的原理為：長(cháng)波部分因為大衍射角，在壓縮器中所走的光程大于短波部分，這樣脈沖的藍光區便跑到紅光區前面，脈沖的前后沿自然會(huì )被拉伸開(kāi)來(lái)。

四、筱曉光子提供的脈沖壓縮光柵產(chǎn)品資料

公司提供的脈沖壓縮光柵涵蓋700-3000nm的光譜范圍，產(chǎn)品具有高衍射效率（90%以上）、高損傷閾值、寬的光譜帶寬、低衍射波像差、大尺寸的特點(diǎn)，產(chǎn)品見(jiàn)圖4。

圖4 脈沖壓縮光柵

圖5列舉了三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬。

圖5 三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬(覆蓋700-3000nm)

標準尺寸：

25×25×6mm,30×30×6mm,30×64×10mm,30×110×16mm,50×50×10mm，50×110×16mm,58×58×10mm,64×64×10mm,90×90×16mm,110×110×16mm,100×140×20mm,120×140×20mm。

材料：λ>750nm的標準金涂層(Au)。

標準基材：光學(xué)冕玻璃K4A或N-ZK7。

可選基材：零熱膨脹玻璃陶瓷，表中標注(Z)，(Lw1，Zerodur或同等材料)。

公司提供的脈沖壓縮光柵有近300個(gè)規格，詳情通過(guò)下方進(jìn)行查看。http://www.microphotons。。ｃｎ/?a=cp3&id=365