近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室提出了一種“分步壓縮器”的脈沖壓縮新設(shè)計。相關(guān)成果發(fā)表于國外學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報》上。拍瓦（1015 瓦，PW）超強激光在激光粒子加速乃至真空極化等前沿科學(xué)研究中有重要應(yīng)用。目前，獲得10s-100s PW 超強激光的最大瓶頸是受限于壓縮光柵的尺寸與損傷閾值。

　　2020 年，上海光機所研究團隊利用光柵損傷閾值隨脈沖寬度增加而增加的特性，提出了“內(nèi)部分束壓縮器”降低了壓縮組束的難度。最近，研究團隊在之前的研究基礎(chǔ)上，進一步考慮激光時空特性，提出了“分步壓縮器（MPC）”的新設(shè)計。

　　新設(shè)計的思想有點類似啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA），CPA 是將晶體損傷矛盾轉(zhuǎn)移到激光時域來解決，通過在放大前后分別增加展寬器與壓縮器專門解決脈沖的寬度問題來實現(xiàn)。這個 MPC 的新設(shè)計，則是將壓縮光柵損傷的矛盾轉(zhuǎn)移到脈沖時空特性上，讓四光柵壓縮器的激光時空特性可實現(xiàn)最高能量的輸入輸出，并在前后增加預(yù)壓縮與后壓縮來專門解決時空特性問題。

　　通常，在高能量PW 激光系統(tǒng)中，典型的四光柵壓縮器用于最后的脈沖壓縮，其中第一個光柵具有最高的輸入脈沖能量，最后一個或第四個光柵具有最短的輸出脈沖持續(xù)時間。第一個和最后一個光柵的損傷閾值和有效尺寸，限制了最大輸入和輸出脈沖能量。除光柵之外，損傷閾值還受到四光柵壓縮器中輸入和輸出激光束的時空特性的限制。

　　因此，研究團隊通過對輸入和輸出激光束的時空特性進行修正以找到解決方案。研究人員通過分別在第一個和最后一個光柵表面修改輸入和輸出激光束的時間和空間特性，可以提高 四光柵壓縮器中的最大輸入和輸出脈沖能量。

　　為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，使用前置壓縮器和后置壓縮器分別修改和補償輸入和輸出激光束的時空特性。這種新型壓縮器也被命名為“多級脈沖壓縮器”，因為它將傳統(tǒng)的單一四光柵脈沖壓縮過程分為多個階段。通常是三個階段，包括預(yù)壓縮器、主壓縮器和后壓縮器。預(yù)壓縮器用于修改輸入激光時空參數(shù)，以增加輸入脈沖能量。

　　圖2 所示的是實現(xiàn)10s -100s PW 激光器的MPC 基本光學(xué)示意圖?；趬嚎s器的一對棱鏡沿著與輸入激光束在光學(xué)傳播平面中的傳播方向垂直的一個軸（以下稱為X 軸），從而引起適當(dāng)?shù)目臻g色散。引起的空間色散將穩(wěn)定空間域中的激光強度，并同時放大激光束。然后，它將增加主四光柵壓縮器的最大輸入脈沖能量。

　　在主壓縮器之后，必須進一步補償空間色散以在焦點處實現(xiàn)超短飛秒激光脈沖。這里利用時空聚焦效應(yīng)自動補償焦點處的空間色散。這里利用時空聚焦效應(yīng)自動補償焦點處的空間色散。預(yù)壓縮器用于修改主四光柵壓縮器第一光柵上輸入激光束的時空特性。

　　眾所周知，PW 激光器系統(tǒng)中放大激光束的空間強度調(diào)制相對較高，這主要是由于泵浦光束的空間強度調(diào)制通常較高。此外，由于灰塵或四光柵壓縮器之前光學(xué)缺陷造成的衍射，在傳統(tǒng)設(shè)置中的第一個衍射光柵表面上可能會出現(xiàn)一些熱點?？紤]到這些負(fù)面影響，在典型的 四光柵壓縮器設(shè)計中，最大輸入脈沖能量甚至降低兩倍，以避免損壞主光柵壓縮器的第一個或最后一個光柵。

　　采用當(dāng)前可獲得最大尺寸光柵，理論上MPC 新設(shè)計可實現(xiàn)單束100 PW 激光壓縮輸出，突破了壓縮光柵對峰值功率提升的階段限制。新設(shè)計不僅簡化了裝置，可節(jié)省12 塊米級光柵等大量大口徑昂貴元件，最重要的是大大降低了100PW 的實現(xiàn)難度。MPC 設(shè)計不僅可以用于在建的SEL-100PW 超強激光科學(xué)裝置，還可用于已有拍瓦激光系統(tǒng)，乃至未來的數(shù)百拍瓦及艾瓦激光系統(tǒng)。

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