近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)牵头合作的一项研究在高能脉冲激光领域获得了里程碑式的突破。该团队开发了新型大规模衍射光栅，能够提供功率最高达50拍瓦的超短激光脉冲（目前峰值功率已高达10拍瓦），有望成为世界上功率最强的激光器。

到目前为止，该团队已经制作出了85×70厘米的高能、低色散(HELD)多层介质光栅，将安装在捷克布拉格附近的ELI-Beamlines装置的L4-ATON激光系统中。

L4-ATON可以在150飞秒(万亿分之一秒)的脉冲中产生1.5千焦耳(kJ)的能量，相当于高达10拍瓦的功率，重复频率为每分钟一次。

图片来源：LLNL实验室

这种HELD高能脉冲压缩光栅是由LLNL的衍射光学小组、ELI-Beamlines、加州Spectra Physics–Newport of Milpitas和位于德克萨斯州奥斯汀的美国激光器系统制造商National Energetics合作开发的。 其中，极端光基础设施光束项目（ELI-Beamlines）是欧盟和捷克政府投资70亿捷克克朗的一个项目，是欧洲ELI项目的三大支柱之一。

突破更优的介质光栅

基于啁啾脉冲放大(CPA)技术，L4-ATON等激光系统必须在不损坏光学元件的情况下拉伸、放大和压缩高能脉冲。这意味着所使用的脉冲压缩光栅必须足够强大有效，才能承受激光脉冲的高光子通量。

据悉，这些HELD光栅处理的总能量是目前最先进技术的3.4倍。HELD光栅尺寸为85×70厘米，配置为37度利特罗角(光栅效率最高的角度)，能够实现更大的束宽（62.5厘米）。

美国国家点火设施衍射光学组负责人、LLNL高级激光科学家Hoang Nguyen解释：“增加光束高度是为了产生方形光束，并考虑LIDT(激光诱导损伤阈值)的差异。与此前版本的高色散、76.5度入射角光栅设计相比，其光栅总能量总共是大约3.4倍。

HELD光栅的优良均匀性，则是由于其在大范围沟槽宽度/高度以及稳定控制的介电层厚度上的高效率设计。”

衍射效率和带宽最大化

LLNL指出，在光栅的利特罗角上工作可以获得最大的衍射效率和带宽，但需要倾斜光栅的角度，使光束轻微向上反射，或偏离平面。

据介绍，这种新型光栅是基于多层介质(MLD)材料的。它们包括一个基片，基片上堆叠着不同折射率的介电镜层，上面是一层离子蚀刻的光敏胶。

MLD光栅的主要优点是，它们大大提高了光栅压缩器在宽波长范围内的衍射效率，就像在超短脉冲中发现的那样。与传统光栅中使用的金属不同，其介电材料是不导电的，据称吸收的能量比以前的设计少500倍。

虽然L4-ATON激光光束线使用目前的技术仅能提供10拍瓦的脉冲，LLNL团队认为，通过加入更大的米级HELD光栅，未来该系统的峰值功率可以达到20-50拍瓦，而这也将为等离子体和高能量密度物理、天体物理学、医疗诊断、工业加工等领域的研究打开更多更广的机会。