啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现, 使获得更高能量、更高峰值功率的超短激光脉冲成为可能。在CPA系统中, 更高的远场峰值功率密度对压缩器输出脉冲的波前性能提出了很高的要求。激光脉冲压缩的主要原理是对展宽放大后的啁啾激光脉冲引入相反的色散, 使激光脉冲在时域的宽度压缩数千至数万倍, 以得到接近种子脉冲宽度但能量极度增大的激光脉冲。CPA系统广泛采用平行光栅对压缩器对输入脉冲进行压缩, 因此光栅是压缩器中非常关键的部分, 其性能往往决定着整个系统的最终输出特性。多层介质膜的全息光栅具有高损伤阈值和高衍射效率的特性, 是压缩器中常用的光学元件, 但是由于光栅在使用过程中需要放置在高真空的常温环境中, 这会使光栅介质膜和基底之间的应力发生变化, 导致光栅的衍射面发生形变, 引起衍射输出脉冲的波前发生变化, 使输出脉冲在时域被展宽, 远场焦斑的峰值强度被降低。此外, 全息光栅采用全息曝光法进行加工时, 实际上曝光系统会有波像差, 曝光场形成的光栅刻线会有一定的扭曲, 这也会对光栅的衍射波前产生影响。

同时, 对大型高功率激光装置而言, 光束口径较大, 整个光路庞大、结构复杂, 包含众多光学元件, 有诸多因素(光学元件面型加工误差、环境振动、放大器热畸变等)会引起光束的波前畸变, 造成压缩器的输入脉冲不是理想的平面波, 从而影响压缩器输出激光脉冲在远场焦平面的时空特性。

针对理想条件下压缩器输出脉冲的时空特性分析的研究较多, 但对以上提及的、会产生压缩器输出脉冲波前畸变的因素鲜有考虑。为此, 重庆大学和中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员结合光线追迹和夫琅禾费远场衍射原理, 建立了平行光栅对压缩器的理论模型, 利用随机相位屏和随机光栅波像差, 将形变引入到光栅的衍射面上, 详细分析了各因素对压缩器输出脉冲远场时空特性的影响, 并利用蒙特卡罗方法得出了各因素的误差容限, 所得到的结果更符合压缩器工作的实际情况, 可为进一步提高压缩器性能提供理论参考。


图1 双程双光栅压缩器结构示意图


图2 光栅衍射面形变对输出脉冲的影响。(a)光栅衍射面形变; (b)远场时空分布; (c)(b)中虚线对应点的时间分布


图3 (a)沿垂直于刻线方向, 形变引起的不同频率的光通过压缩器相位的变化量; (b)沿垂直于刻线方向的群延迟; (c)压缩器输出性能随形变PV值的变化


图4 波像差和脉冲远场时空分布。(a)球差; (b)球差对应的远场时空分布; (c)慧差; (d)慧差对应的远场时空分布; (e)像散; (f)像散对应的远场时空分布


图5 沿垂直于光栅刻线方向, 波像差引起的不同频率的光通过压缩器相位的变化量。(a)球差; (b)慧差; (c)像散; (d)沿垂直于刻线方向波像差引起的群延迟


图6 压缩器输出特性与光栅波像差的关系。(a)球差; (b)慧差; (c)像散

对平行光栅对压缩器中引起压缩器输出脉冲波前畸变的因素进行了详细分析。基于光栅压缩器的理论模型, 讨论了输入脉冲波前畸变、光栅衍射面的形变和光栅波像差对压缩器输出脉冲时空特性的影响, 基于蒙特卡罗法得到了不同标准下不同影响因素的误差容许范围。计算结果表明, 输入光束的波前畸变主要影响输出脉冲的空间分布, 对时间波形的影响可以忽略, 畸变越严重, 焦平面的峰值强度就越小; 光栅的形变主要引起输出脉冲的波前倾斜方向不一致, 影响聚焦效果, 同时带来了附加的群延迟和高阶色散, 使时域波形发生分裂, 且形变越大, 影响就越大; 3种光栅波像差的影响与光栅形变的影响类似, 都会使焦斑的时空分布恶化。因此, 在压缩器的搭建过程中, 为了提升压缩器的输出性能需要对以上误差进行严格的控制。

 

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