中红外光谱合成技术是目前提升中红外激光输出功率最有效的技术路线之一，该技术的输出功率上限取决于核心元件-中红外合束光栅的综合性能，但是传统可用的金属刻划光栅存在效率低、损伤阈值有限等问题，严重遏制了中红外光谱合成技术的发展以及激光功率的提升。
研究团队首次提出并设计了一种火山形全息光栅结构，在中红外波段实现宽角度、宽波段的高效衍射。基于该设计所制备的合束光栅在TM偏振、60°入射条件下，2.8–4 μm范围内衍射效率均高于95%，平均达96.37%，波前畸变极小，满足高功率合成系统对光栅光谱性能的要求(图1)。
本研究系统分析了中红外宽光谱激光在合成系统中的空间色散与逆色散耦合机制(图2(a))，从系统层面分析了光栅光谱、角谱与入射光阵列的内在关联(图2(b))，并构建了双光栅合束实验系统(图2(c))，使用中心波长为3.16 μm与3.89 μm的光参量振荡(OPO)激光进行实验验证。结果显示，合成效率达92.5%，合成光束BPP=1.99 mm·mrad，光束质量保持良好。该合束光栅在连续激光辐照下可承载超过1000W/cm2的功率密度，相较现有商用刻划光栅提升4倍，展现出该光栅在高功率中红外激光系统中的实际应用潜力，并为未来实现数十至数百瓦级中红外合成激光系统提供了关键器件支持。
该工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、上海市战略性新兴产业发展专项、中国博士后科学基金等项目的支持。
图 1 (a)首个中红外全息镀金合束光栅；(b)光栅样品在60°入射角下TM偏振衍射效率测试曲线；(c)光栅横截面SEM图像和(d)表面俯视SEM图像；(e)光栅样品的-1级衍射波前
图 2 (a)单光栅与双光栅合成光束质量对比；(b)合束光栅光谱、角谱与入射光阵列内在关联；(c)双光束光谱合束验证实验
