本研究由Denisa Štěpánková、Jiří Mužík、Ondřej Novák、Lukáš Roškot、Vadim Smirnov、Leonid Glebov、Michal Jelínek、Martin Smrž、Antonio Lucianetti和Tomáš Mocek等人完成，主要作者来自捷克科学院物理研究所HiLASE中心（HiLASE Centre, Institute of Physics AS CR）和捷克布拉格捷克技术大学核科学与物理工程学院（Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering），合作者来自美国Optigrate公司和中佛罗里达大学光学与光子学学院（CREOL/College of Optics and Photonics, University of Central Florida）。该研究于2020年9月10日发表在Applied Optics期刊第59卷第26期，论文标题为“Experimental study on compression of 216-W laser pulses below 2 ps at 1030 nm with chirped volume Bragg grating”。

从学术背景来看，该研究处于高功率超快激光技术领域。高平均功率和高脉冲峰值功率的超快激光源在材料加工、高次谐波产生和超快光谱学等科学与工业应用中具有重要作用。通常这些激光系统采用啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification, CPA）技术，即在时间上展宽脉冲、进行放大、最后再进行压缩。CPA系统的核心部件之一是脉冲压缩器，传统上多采用衍射光栅对。但衍射光栅压缩器对对准精度和机械振动敏感，并且体积庞大。啁啾体布拉格光栅（chirped volume Bragg grating, CVBG）作为一种新型压缩器，具有体积小、抗振动、易于调节、偏振无关且能提供较大色散等优点，因而近年来在超快激光系统中获得了广泛应用。然而，CVBG内部残余吸收所产生的热负载可能会限制其在高功率激光系统中的应用。本研究的目的是在1030 nm波长、92 kHz重复频率、脉冲宽度低于2 ps的条件下，对CVBG脉冲压缩器在高平均入射功率（最高270 W，压缩后216 W）下的性能进行系统表征，并评估水冷夹具夹持方式对CVBG性能的影响。

在工作流程方面，该研究使用了一套基于Yb:YAG薄片激光技术的CPA激光系统PERLA C。该系统首先由亚皮秒掺镱光纤振荡器产生种子脉冲，然后通过一个啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg grating, CFBG）将脉冲展宽至约0.5 ns，该展宽器具有温度可调的色散，色散值为(205 ± 15) ps/nm，并且可以调节二阶和三阶色散。展宽后的脉冲经过两级光纤预放大器和两级薄片再生放大器放大，最高达到5.5 mJ脉冲能量、500 W平均功率、92 kHz重复频率，光束质量M²约为1.4。放大后的激光脉冲被导入一个长度为76 mm、口径为10 × 10 mm²的CVBG压缩器。CVBG由光热折变玻璃（photo-thermo-refractive glass, PTR glass）制成，中心波长为1030.3 nm，光谱带宽为3.3 nm，提供205 ps/nm的色散。CVBG作为背反射光学元件使用，输出光束通过薄膜偏振片和四分之一波片分离。实验中，入射到CVBG前表面的光束直径约为4.7 mm和4.0 mm（二阶矩直径，光束略呈椭圆形）。由于PTR玻璃在近红外波段没有本征吸收，但由于工艺杂质和全息记录副产物仍存在残余吸收，在1000 nm附近该CVBG的吸收系数约为3 × 10⁻⁴ cm⁻¹。CVBG被安装在一个水冷、弹簧加载的黄铜夹具中。为了研究夹持力的影响，实验分别在两种夹持状态下进行：一种是完全夹持（fully mounted）状态，另一种是松散夹持（loosely mounted）状态。在完全夹持状态下，夹具一侧固定，另一侧通过两个弹簧加载螺钉压紧CVBG，顶部由弹簧压紧盖板覆盖，估算夹持力约为12 N；在松散夹持状态下，取消顶部盖板和机械压力，CVBG仅靠自身重量与底部和两侧接触冷却，顶部只通过空气冷却。实验中，入射平均功率从低功率一直增加到270 W，实时监测的参数包括衍射效率、输出光谱、脉冲宽度、光束轮廓、光束质量因子M²以及CVBG前表面温度。为了获得可靠的对比数据，实验还使用一个可折叠的高反射平面镜作为参考镜，在每个入射功率水平下同时对未压缩光束进行表征。功率测量在低功率时使用Ophir-Spiricon 12A-P功率探头，高功率时使用Ophir 1000W-BB-34探头。光谱测量使用光纤光谱仪BR8并结合积分球，以确保测量的是整个光束的光谱。压缩脉冲的自相关曲线使用APE PulseCheck强度自相关仪测量。光束轮廓使用Spiricon SP620U光束分析仪记录。M²参数使用德国Laser-Laboratorium Göttingen的自动M²测量装置按照ISO 11146-1标准测量。CVBG内热透镜焦距通过M²测量装置中光束焦散曲线的变化进行估算。前表面温度使用FLIR E50热像仪测量。

在主要结果方面，首先对完全夹持的CVBG进行了分析。测得衍射效率随入射功率增加而适度下降：当入射功率不超过100 W时，衍射效率保持在约84%的水平，继续增加功率时，衍射效率下降至约80%。记录的光谱显示，未压缩和压缩脉冲在230 W入射功率下均以1030 nm为中心，半高全宽（FWHM）为1.6 nm，各功率下归一化光谱几乎保持不变，支持1.1 ps的变换极限脉冲。在脉冲宽度方面，分为两种情况：一种是非优化状态（nonoptimized），即固定CFBG在最低功率下的优化色散设置；另一种是优化状态（optimized），即在每个入射功率下调整CFBG温度以获得最短输出脉冲。非优化脉冲在100 W以下脉宽保持在1.4–1.6 ps之间，超过100 W后脉宽逐渐增加，在最高功率时接近2.4 ps。优化脉冲在175 W以下脉宽在1.35–1.47 ps之间变化，超过200 W后脉宽增加，最高达1.87 ps。自相关曲线显示，随入射功率增大，主脉冲旁瓣增强，表明存在未补偿的高阶色散项，这归因于CVBG内的不均匀光分布引起的温度梯度导致光栅周期的局部变化，从而影响高阶色散。在光束质量方面，参考光束的M²保持稳定，垂直方向约为1.3，水平方向约为1.5。而CVBG反射光束的M²在垂直方向从2.1–2.3逐渐增加到270 W时的2.8；水平方向的M²则从低功率时的1.6几乎线性上升到170 W时的2.8，并在270 W时急剧增加到4.4，表现出明显的非对称性。热透镜焦距在100 W以下非常弱，超过100 W后焦距明显变短，270 W时垂直方向焦距为5.5 m，水平方向为3.5 m。CVBG前表面温度从最低功率到最高功率升高了约4.5°C。光束轮廓也显示，随功率升高，CVBG反射光束的轮廓发生明显畸变，在200 W以上甚至出现双峰结构。为了考察机械夹持力的影响，实验随后将CVBG改为松散夹持状态。松散夹持时，参考光束M²仍保持约1.3（垂直）和1.5（水平）。CVBG反射光束的M²在两个方向上表现出相似的趋势：100 W以下M²在1.75–2.0之间，100 W到200 W之间M²升高约1，200 W时水平方向为2.9，垂直方向为3.0，269 W时两个方向均达到3.4。几何平均M²随入射功率的变化在完全夹持和松散夹持两种情况下几乎相同。然而，在完全夹持配置中，水平与垂直M²的比值在0.71到1.53之间变化；松散夹持时该比值在0.94到1.05之间，表明松散夹持显著减小了光束质量的面内非对称性。松散夹持下，热透镜焦距也随功率增加而变短，最高入射功率时水平方向和垂直方向的焦距分别为2.1 m和2.4 m。光束轮廓同样显示CVBG反射光束质量随功率增加而恶化。

在结论方面，该研究成功展示了工作波长1030 nm、重复频率92 kHz、脉冲宽度低于2 ps的CVBG脉冲压缩器，压缩后输出平均功率最高达216 W（脉冲能量2.34 mJ，峰值功率约1.2 GW）。据作者所知，这是当时使用CVBG压缩技术报道的最高平均功率。该结果通过包含掺镱光纤振荡器、温度调谐色散的CFBG展宽器、多级放大器以及CVBG压缩器的CPA激光系统实现。研究的主要结论是：CVBG压缩器是一种鲁棒、紧凑且易于使用的器件，适合皮秒CPA激光系统；但其主要限制在于制造过程中引入的残余吸收以及由此导致的热负载，会显著降低高功率下的光束质量。此外，CVBG的机械应力，例如来自水冷夹具的夹持压力，也会对光束质量产生明显影响。不均匀的热负载会在CVBG内部形成焦距为数米的热透镜，并形成纵向和横向的温度梯度。光谱宽度保持不变的情况下，脉宽从1.4 ps增加到2.4 ps，但通过调节展宽器色散可以优化至1.9 ps以下。测得的衍射效率在80%–84%之间。研究还指出，在功率水平不超过100 W时，热效应较小，使用CVBG较为有利。未来工作将聚焦于研究更低吸收的CVBG、新型设计以及更好的冷却方案。

该研究的亮点在于其系统性地对高功率CVBG压缩器进行了详细的多参数表征，首次在超过200 W平均功率压缩输出的水平上报道了衍射效率、光束质量、热透镜效应、脉宽演变和温度变化。研究的创新性还体现在比较了不同机械夹持状态下的光束质量表现，揭示了机械应力是导致光束质量非对称退化的重要因素。这一发现对于高功率CVBG的封装设计和热管理具有重要的实际指导意义。该研究不仅拓展了CVBG压缩器在百瓦级高平均功率超快激光系统中的应用范围，也为后续优化PTR玻璃材料吸收特性以及改进冷却结构提供了实验依据。