中紅外光譜合成技術(shù)是目前提升中紅外激光輸出功率最有效的技術(shù)路線之一，該技術(shù)的輸出功率上限取決于核心元件-中紅外合束光柵的綜合性能，但是傳統(tǒng)可用的金屬刻劃光柵存在效率低、損傷閾值有限等問題，嚴(yán)重遏制了中紅外光譜合成技術(shù)的發(fā)展以及激光功率的提升。
研究團(tuán)隊(duì)首次提出并設(shè)計(jì)了一種火山形全息光柵結(jié)構(gòu)，在中紅外波段實(shí)現(xiàn)寬角度、寬波段的高效衍射?；谠撛O(shè)計(jì)所制備的合束光柵在TM偏振、60°入射條件下，2.8–4 μm范圍內(nèi)衍射效率均高于95%，平均達(dá)96.37%，波前畸變極小，滿足高功率合成系統(tǒng)對光柵光譜性能的要求(圖1)。
本研究系統(tǒng)分析了中紅外寬光譜激光在合成系統(tǒng)中的空間色散與逆色散耦合機(jī)制(圖2(a))，從系統(tǒng)層面分析了光柵光譜、角譜與入射光陣列的內(nèi)在關(guān)聯(lián)(圖2(b))，并構(gòu)建了雙光柵合束實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖2(c))，使用中心波長為3.16 μm與3.89 μm的光參量振蕩(OPO)激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，合成效率達(dá)92.5%，合成光束BPP=1.99 mm·mrad，光束質(zhì)量保持良好。該合束光柵在連續(xù)激光輻照下可承載超過1000W/cm2的功率密度，相較現(xiàn)有商用刻劃光柵提升4倍，展現(xiàn)出該光柵在高功率中紅外激光系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用潛力，并為未來實(shí)現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百瓦級中紅外合成激光系統(tǒng)提供了關(guān)鍵器件支持。
該工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖 1 (a)首個(gè)中紅外全息鍍金合束光柵；(b)光柵樣品在60°入射角下TM偏振衍射效率測試曲線；(c)光柵橫截面SEM圖像和(d)表面俯視SEM圖像；(e)光柵樣品的-1級衍射波前
圖 2 (a)單光柵與雙光柵合成光束質(zhì)量對比；(b)合束光柵光譜、角譜與入射光陣列內(nèi)在關(guān)聯(lián)；(c)雙光束光譜合束驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
