近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队在100PW激光系统色散控制的研究方面取得了新进展，相关成果以“Dispersion management for a 100 PW level laser using a mismatched－grating compressor”为题发表在High Power Laser Science and Engineering。
早在1997年Kane和Squier就提出了非匹配光栅压缩器。与传统的Treacy压缩器不同，非匹配光栅压缩器引入了一个额外的可变参数—光栅刻线密度。通过优化展宽器－压缩器中的光栅对间距和入射角的失配，可以实现二阶色散（GDD）和三阶色散（TOD）的补偿；通过优化展宽器－压缩机中光栅刻线密度的失配，可以实现四阶色散（FOD）的补偿。因此，非匹配光栅压缩器可以实现GDD、TOD和FOD的同时补偿，从而获得近傅里叶变换极限（FTL）的压缩脉冲。然而，之前基于非匹配光栅压缩器的两个PW级飞秒激光器的实验结果并不理想，压缩脉宽仅有～30 fs，与FTL值相差甚远。这主要是受到当时光栅种类的限制，上述两种激光器采用的光栅没有配备最优的刻线密度。随着光栅制造技术的发展，目前可以定制任意槽密度的光栅，这也使得非匹配光栅压缩器具有良好的色散管理潜力。但作为一种被动色散管理方法，非匹配光栅压缩器在实际应用中的可行性仍不确定。
本研究团队充分研究了非匹配光栅压缩器的色散特性，并在理论上证明了其在100PW激光系统中的色散控制优势。数值结果表明，基于非匹配光栅压缩器的SEL－100PW激光系统（啁啾脉冲持续时间～4 ns，频谱带宽～210 nm）可以实现小于13fs的近FTL压缩脉冲。此外，研究团队还全面深入地研究了非匹配光栅压缩器的容忍度，包括：对展宽器校准误差的容忍度、对光栅刻线密度误差的容忍度、以及对激光系统中材料色散误差的容忍度。数值结果表明，通过平衡激光系统中的残余GDD、TOD和FOD，非匹配光栅压缩器在上述三个方面都可以实现良好的容忍度，并实现近FTL压缩脉冲输出。本工作证明了非匹配光栅压缩器的良好容忍度，为其实际应用提供了重要支撑，为100PW激光器的设计和制造提供了有意义的指导。
相关工作得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、上海市科技重大专项的支持。
图1 数值模拟的100PW激光放大光谱和基于非匹配光栅压缩器的输出脉冲。
图2 材料色散和光栅刻线密度同时存在误差时，基于非匹配光栅压缩器的输出脉冲宽度（a）和容忍度（b）。