脉冲压缩光栅 - 筱晓光子产品介绍⑨

2021-08-02 16:18:18

一、进入超强超短激光和强场激光物理

超强超短激光(峰值功率＞1TW(1TW=1012W)，脉冲宽度＜100fs)的出现与迅猛发展，为人类提供了非常的极端物理条件与全新实验手段。自然界中只有在恒星内部或是黑洞边缘才能找到的高能量密度，甚至超高能量密度的极端条件已能在实验室内创造。

目前实验室内台式激光系统已经可产生高重复频率的超短脉冲(从100fs到10fs级)且超高功率(从100TW到1000TW级)的激光输出。目前，超强超短激光经聚焦的最高光强已达到1022～23W/cm2量级。这么高的光强到底是什么概念呢？

光强1021W/cm2约等于地球接收到的太阳总辐射聚焦到头发丝粗细的尺度。自然界中已知的最高光强是达到1020W/cm2量级的宇宙伽玛射线暴的强度，所以超强超短激光被认为是已知的最亮光源之一。

强超短激光可以驱动产生超快高性能粒子束，为高能粒子加速器的发展带来重要补充。与高能粒子加速器等相比，超强超短激光驱动产生的超快电子、质子和重离子粒子束时间尺度短(可达到数飞秒)，峰值流强大，这是传统加速器难以提供的，为高能粒子束的应用提供了独特优势，使超快瞬态检测等成为可能。

与传统的基于反应堆的中子源相比，超强超短激光驱动产生的超快中子束，不仅具有脉冲宽度可以达到皮秒量级的优点，而且具有安全可控等优势，为特殊材料的动力学检测提供了独特的技术手段。

超强超短激光装置与现有的高能粒子加速器和反应堆等大科学装置产生的高流强粒子束互补，不仅可为用户提供新的研究条件，也可催生出新研究方向与新用户。

目前，超强超短激光正处于取得重大科学技术突破和开拓重大应用的关键阶段，未来几年激光的聚焦强度可能达到甚至突破1023W/cm2。此外，这种超强光场在时间范畴又是极端超快的。

超强超短激光的中心波长一般是在近红外波段，其脉冲宽度已可压缩至数飞秒，与激光场的振荡周期(如中心波长为800 nm的激光脉冲其光场振荡周期为2.67 fs)可以比拟；而利用超强超短激光驱动产生的极紫外乃至X射线波段相干辐射，其脉冲宽度已经突破飞秒量级进入阿秒(as，1as=10-18s)量级的新范畴，未来有可能进入到仄秒(zs，1zs =10-21s)量级。这种极端超快时间尺度的强光场的产生和应用，开拓与发展了阿秒科学全新领域(图1)。

图1 超强超短激光的发展历程与科学新领域的开拓

超强超短激光的发展与应用是国际激光科技的最新前沿与竞争重点领域，正如《Science》杂志专栏文章指出“这项工作将影响从聚变到天体物理的每一项研究”。

光强1021W/cm2能够产生的极端条件主要包括：

(1)超强电场：~1012V/cm，氢原子库仑场强的170倍；

(2)超高磁场：~105T的超强范围；

(3)超高能量密度：达到3×1010J/cm3(相当于20t/m3 TNT爆炸释放的能量)；

(4)巨大光压：接近1017Pa量级；

(5)相对论效应主导：电子动能10MeV，远超电子静能(0.5MeV)。

此外，超强超短激光可以驱动产生超快、多光谱、高亮度光源(图2)，波长覆盖从THz、红外、紫外、X射线到γ射线波段，具有极端超快的脉冲宽度。尽管光子平均通量低，但峰值亮度在某些波段上远超过其他大型光源，而在某些波段又是相干的，与同步辐射光源等可以提供的高通量光子束线等相比，各自既有不可替代性，又优势互补。

在工业加工领域，皮秒或飞秒短脉冲激光由于具有非常高的峰值功率，可瞬间气化或熔化材料，达到传统加工方式无法达到的精密度和质量，已成为当前激光加工业的发展趋势，被广泛应用于微电子、半导体制造、显示、消费类电子、医疗精密设备、太阳能制造等行业，并将开辟精细加工的新市场。

图2 超强超短激光驱动产生超快、多光谱、高亮度光源

二、超强激光实现的重要手段-啁啾脉冲放大技术(CPA)

1960年，美国休斯飞机公司的科学家梅曼(T.Maiman)博士研制出世界上第一台红宝石激光器。1962年，调Q激光技术诞生，它的发明使得激光脉冲进入纳秒(ns，1ns=10-9s)量级。1964年，锁模激光技术被发明。锁模激光技术的提出和发展使得脉冲宽度进一步压缩至皮秒(ps，1ps=10-12s)甚至飞秒(fs，1fs=10-15s)量级。长期以来由于没有新技术的出现，导致激光能量增长停滞不前，直接限制了激光峰值功率乃至聚焦强度的提升。

1985年，美国的科学家D. Strickland和G.Mourou在《Optics Communications》杂志上，发表了提出啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification,CPA)技术概念的文章。这是高峰值功率脉冲激光技术发展的一个重要里程碑，开辟了超强超短激光和强场激光物理的新研究方向。

该技术的基本原理是：首先利用色散将飞秒激光脉冲通过展宽器在时间上进行展宽，使脉冲宽度达到几百皮秒甚至纳秒量级；展宽后的脉冲在经过激光增益介质放大后，充分提取了激光介质的储能；最后经过与展宽器具有相反色散的压缩器将脉冲宽度压缩至接近最初的脉宽值(图1)。

啁啾脉冲放大技术可以保证放大前后脉冲的宽度基本一致，而脉冲的能量却可以提高若干数量级，从而大幅度地提升了激光脉冲的峰值功率。它解决了高峰值功率条件下，由于介质的非线性效应造成的光学元件损伤、脉冲光斑质量下降等问题，使超短激光脉冲获得了较为理想的放大效果。

利用CPA技术已经可以获得峰值功率达到拍瓦乃至10拍瓦量级的激光脉冲放大输出。目前，全世界的超强超短激光系统都是基于CPA技术而建立的。

发明啁啾脉冲放大技术使法国科学家Gérard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland 获得了2018年诺贝尔物理学奖，获奖原因正是他们发明了产生超强超短光学脉冲的方法，且他们的发明革命性地改变了激光物理，特别是促进了该技术在更多新研究领域的应用。

图3 超强超短激光：啁啾脉冲放大

三、啁啾脉冲放大技术(CPA)的核心部件——脉冲压缩光栅

脉冲压缩光栅是啁啾脉冲放大技术（CPA）的核心部件，处于强激光系统能量放大的最末端，脉冲压缩光栅的通光效率和损伤阈值的提高都对强激光束的能量、峰值功率的提升起到极为关键的作用。

脉冲压缩器的结构由两个平行放置的光栅及一个反射镜构成，结构如图3浅红色椭圆所示。反射式脉冲压缩器的原理为：长波部分因为大衍射角，在压缩器中所走的光程大于短波部分，这样脉冲的蓝光区便跑到红光区前面，脉冲的前后沿自然会被拉伸开来。

四、筱晓光子提供的脉冲压缩光栅产品资料

公司提供的脉冲压缩光栅涵盖700-3000nm的光谱范围，产品具有高衍射效率（90%以上）、高损伤阈值、宽的光谱带宽、低衍射波像差、大尺寸的特点，产品见图4。

图4 脉冲压缩光栅

图5列举了三种不同沟槽密度的脉冲压缩光栅的光谱带宽。

图5 三种不同沟槽密度的脉冲压缩光栅的光谱带宽(覆盖700-3000nm)

标准尺寸：

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的标准金涂层(Au)。

标准基材：光学冕玻璃K4A或N-ZK7。

可选基材：零热膨胀玻璃陶瓷，表中标注(Z)，(Lw1，Zerodur或同等材料)。

公司提供的脉冲压缩光栅有近300个规格，详情通过下方网址进行查看。//www.debmaha.com/?a=cp3&id=365