啁啾脉冲放大技术：从衍射光学角度的回顾与展望

来源：中国激光

Chinese Optics Letters 2020年第11期Editors’ Pick：Changhe Zhou. Chirped pulse amplification: review and prospective from diffractive optics [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2020, 18(11): 110502啁啾脉冲放大（CPA）技术使飞秒脉冲的峰值功率从原来的千瓦级飞速发展到现在的拍瓦级，这一突出贡献使其获得了2018年诺贝尔物理学奖。过去几十年里已有很多论文从激光物理的角度，向公众解释了运用CPA技术将激光脉冲放大的原理，即使用一对高密度光栅可以将激光脉冲放大到最强。啁啾脉冲放大技术原理示意图从衍射光学的角度，光栅的压缩和展宽是CPA技术的核心。但是，很少有论文指出除了等密度光栅之外，其他的光栅结构也可以用于压缩或展宽激光脉冲。中国科学院上海光学精密机械研究所周常河研究员在Chinese Optics Letters 2020年第18卷第11期发表的综述（C. Zhou, Chirped pulse amplification: review and prospective from diffractive optics [Invited]）系统介绍了多种控制飞秒脉冲的光栅技术。除了CPA采用的非常著名的等密度光栅技术之外，还有其它光栅结构，如达曼光栅、双倍密度光栅、深刻蚀石英光栅等，都可以压缩或展宽激光脉冲，为CPA技术提供了一个完整的图谱。双倍密度光栅、深刻蚀光栅用于压缩飞秒激光脉冲及大尺寸的棱镜对压缩器达曼光栅：是一种可以将入射单色光高效生成均匀光强点阵的位相光栅，在飞秒脉冲加工中可以将激光脉冲在不同的衍射级次分成多个等强度的光斑，每个级次的衍射需要相应倍增密度的光栅做补偿。由于达曼光栅产生的光斑阵列光强均匀性不受入射光波影响，近年来广泛应用于光纤星状耦合、多激光干涉、光互连、并行读取或作为逻辑阵列器件的光源等。双倍密度光栅：意味着两块光栅，其中第二块光栅的密度是第一块光栅密度的两倍，经过第一块光栅衍射的激光脉冲可以被第二块光栅衍射而原路返回，由此构成飞秒激光脉冲压缩器。其优点是小巧紧凑，可能替代庞大棱镜对装置。深刻蚀光栅：也是表面浮雕光栅，是具有亚波长和深刻蚀双重特征的微纳光子学元件。比如深刻蚀石英光栅组成的飞秒脉冲压缩装置体积小、结构紧凑、造价低。由于石英光栅的激光破坏阈值很高，可同样用于高能光纤激光器中。达曼光栅、双倍密度光栅、深刻蚀光栅已经被用于处理飞秒激光脉冲并应用于上海光源工程等大型科研项目。此外还有其他光栅结构用于产生激光的多脉冲，以满足各种应用需求。 制造高质量的光栅，尤其是大尺寸米级光栅，并将光栅栅距精度控制在皮米量级，是一个挑战极限的工作，不仅可以促进激光的更多独特应用，还使人类得以进入皮米光学的世界。 周常河研究员于2019年发明了皮米光梳，基于皮米光梳的物理思想，也许我们最终会打开皮米光学的大门。论文作者简介：周常河，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。国家杰出青年基金获得者，美国光学学会OSA Fellow，德国洪堡学者，上海市优秀学科带头人。曾任《Chinese Optics Letters》执行主编。研究方向：微光学、衍射光学、衍射光栅。发明了圆环达曼光栅、三维达曼光栅等一系列新型达曼光栅器件，发表专著《达曼光栅原理及应用》；发现了泰伯效应中位相分布对称性、邻域位相差分规则传递、素数分解等一系列规律；发展了简化模式方法用于设计和解释深刻蚀石英光栅，发明了多种深刻蚀石英光栅器件；将达曼光栅引入到飞秒激光技术领域，发明了双倍密度光栅飞秒激光压缩技术等；发明了新型并行激光直写大尺寸光栅装置；发明了皮米光梳并开展应用研究。