中紅外光譜合成技術是目前提升中紅外激光輸出功率最有效的技術路線之一，該技術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，嚴重遏制了中紅外光譜合成技術的發(fā)展以及激光功率的提升。
研究團隊首次提出并設計了一種火山形全息光柵結構，在中紅外波段實現寬角度、寬波段的高效衍射?；谠撛O計所制備的合束光柵在TM偏振、60°入射條件下，2.8–4 μm范圍內衍射效率均高于95%，平均達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在關聯(圖2(b))，并構建了雙光柵合束實驗系統(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)激光進行實驗驗證。結果顯示，合成效率達92.5%，合成光束BPP=1.99 mm·mrad，光束質量保持良好。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，相較現有商用刻劃光柵提升4倍，展現出該光柵在高功率中紅外激光系統(tǒng)中的實際應用潛力，并為未來實現數十至數百瓦級中紅外合成激光系統(tǒng)提供了關鍵器件支持。
該工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程、上海市戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展專項、中國博士后科學基金等項目的支持。
圖 1 (a)首個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量對比；(b)合束光柵光譜、角譜與入射光陣列內在關聯；(c)雙光束光譜合束驗證實驗
