新型压缩光栅及其高功率激光损伤特性研究

Research and development of large compression gratings with high-laser damage threshold has always been one of keys for the construction of world-class high power lasers. A novel compression grating, internal reflection gratings, and a scheme to offer comprehensive assessment for its performance are presented, motivated by the insufficient laser induced damage threshold of current gratings under actual running environment of high-power laser facilities. The crucial technologies include: 1) to design new grating structure according to the diffraction characteristics of high-power lasers; 2) to develop advanced observation method to measure the three-dimensional fine structure of damage points on line and reproduce their dynamic formation process, to reveal and further understand the physical correlation and rule between the fine structure of gratings and the damages. The work provides a potential and positive way to improve the laser damage threshold of gratings in high-power lasers.

大口径高破坏阈值压缩光栅的研制与制造一直是国际上聚变级高功率激光驱动器研究的核心问题之一。本课题针对高功率激光系统实际运行环境下光栅破坏阈值的技术瓶颈，创新性的提出了内反式压缩光栅及其光损伤性能综合评估方案，关键技术途径为：(1)依据高功率激光衍射特性，突破现有光栅设计模式与思路，建立新型光栅结构；(2)发展先进的观测手段，实现损伤的在线三维精细结构测量，再现损伤形成的动态过程，揭示光栅精细结构与损伤的物理联系与规律。本研究有望为实质性提高高功率激光系统中光栅的破坏阈值提供新的技术途径。

目前的大型激光核聚变驱动装置中，大尺寸脉冲压缩光栅的研制一直是关注的焦点之一。如何将脉冲压缩光栅的破坏阈值提高至所需的高功率激光输出水平一直是国际性前沿课题。本项目从内反菱形槽光栅设计与性能、材料损伤检测与机理分析，以及引起损伤的缺陷或瑕疵在高功率激光传输特性分析等几个方面开展了深入研究，围绕总体研究目标主要完成了以下几个方面的工作：1. 扩展并改进了原有的模式法，提高光栅设计运算速度；进行精细化的内反射菱形槽光栅的结构设计，并从衍射效率、光谱宽度和入射角等对光栅的衍射性能进行了详细的计算分析。2. 建立了光学损伤检测系统以对光栅材料的损伤性能进行综合评估，分别建立了基于数字全息干涉测量透射层析三维关键成像技术以及光学显微分析法实现高精度成像损伤测试。3．利用建立的实验平台，分析了融石英材料后表面损伤特性，探究材料损伤的增长规律，给出了材料的损伤阈值，材料的损伤增长特性及损伤诱因分析结果。4．采用酸洗刻蚀的方法提高光栅元件的抗激光损伤能力，增加光栅的使用寿命。5.研究了导致损伤的一个重要根源-缺陷引起的光束调制传输特性，得到了光场传输中光强极值的演变规律，为深刻认识损伤物理起因奠定了坚实基础。6．扩展新型分光器件，提出了改进型的达曼光栅实现从近场到远场全区间的等强度阵列焦斑。本项目实施期间，共计撰写文章7篇，培养研究生2名。