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掃帚作為一種清潔工具廣泛應(yīng)用于日常生活中，通過(guò)掃帚可以把房間里面散落的灰塵聚集起來(lái)。最近，研究人員將這個(gè)概念用于光學(xué)領(lǐng)域：即產(chǎn)生一把“光掃帚”，把光堆疊起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的壓縮。
過(guò)去的30年中，啁啾脈沖放大技術(shù)(chirped pulse amplification, CPA)的發(fā)展使得激光的峰值功率達(dá)到10PW(1016W)量級(jí)。然而，進(jìn)一步提升激光的峰值功率受到材料損傷的限制。等離子體作為一種幾乎不存在損傷閾值的介質(zhì)，有望大幅度提升激光的峰值功率。目前，基于等離子體的激光壓縮技術(shù)主要包括等離子體背向拉曼放大和強(qiáng)耦合布里淵放大。這兩項(xiàng)技術(shù)的物理過(guò)程比較復(fù)雜，但是簡(jiǎn)而言之，就是激光與等離子體相互作用產(chǎn)生等離子體波，把長(zhǎng)脈沖的泵浦光的能量轉(zhuǎn)移入反向傳播的短脈沖種子光中，從而實(shí)現(xiàn)激光的壓縮。然而，盡管實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)了等離子體壓縮的可行性，該技術(shù)仍然距離應(yīng)用比較遠(yuǎn)。一個(gè)重要的原因?yàn)椋哼@個(gè)等離子體波存在一個(gè)“嬰兒”階段，即需要從零增長(zhǎng)起來(lái)。這樣放大過(guò)程存在一個(gè)線(xiàn)性機(jī)制，該機(jī)制下激光的脈寬反而展寬且轉(zhuǎn)換效率十分低下。并且由于此時(shí)的等離子體波比較脆弱，容易受到朗道阻尼、等離子體不均勻性、熱效應(yīng)和粒子俘獲這類(lèi)等離子體不穩(wěn)定性的影響。
為此，中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的吳朝輝、左言磊、李釗歷等提出了一種新型光操作工具——等離子“光掃帚”?！肮鈷咧恪睂?duì)于激光壓縮的原理類(lèi)似于飛行鏡。眾所周知，當(dāng)反射鏡的飛行速度接近光速時(shí)，不同時(shí)刻反射的激光會(huì)疊加成一個(gè)超短脈沖，并且由于多普勒效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生頻率藍(lán)移。然而，由于相對(duì)論效應(yīng)的限制，產(chǎn)生接近光速的飛行鏡幾乎不可能。對(duì)此，研究人員巧妙地采用了一種“偽飛行鏡”的方案，即反射鏡不動(dòng)，但是邊界以光速延伸。由于反射鏡本身不動(dòng)，反射激光沒(méi)有多普勒效應(yīng)，中心波長(zhǎng)不移動(dòng)，但是時(shí)間上仍然疊加成一個(gè)超短脈沖。
“光掃帚”通過(guò)等離子體光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)“偽飛行鏡”：首先采用氣體中的布里淵效應(yīng)產(chǎn)生氣體光柵，隨后采用短脈沖電離氣體光柵形成邊界以光速延伸的等離子體光柵，用該光柵反射反向傳播的激光以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的壓縮。與現(xiàn)有的等離子體壓縮技術(shù)相比，“光掃帚”預(yù)先在氣體中產(chǎn)生，避免了等離子體不穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，且由于不存在增長(zhǎng)過(guò)程，壓縮過(guò)程直接越過(guò)了線(xiàn)性機(jī)制。該方案得到粒子模擬程序EPOCH的證實(shí)，模擬結(jié)果顯示泵浦光能從數(shù)十皮秒壓縮到2-3個(gè)周期左右，壓縮效率達(dá)到60%以上，并且受到等離子體不均勻性影響較小。該成果以“Laser compression via fast-extending plasma gratings”為題，發(fā)表在MRE期刊2022年第7卷第6期上。
//////////////// 圖1 基于快速延伸等離子體光柵的激光壓縮原理圖 圖1為快速延伸等離子光柵激光壓縮原理。其中淺綠色的為氣體光柵，紅色的為長(zhǎng)脈沖泵浦光，橙色的脈沖為電離脈沖、深綠色的為等離子體光柵，藍(lán)色的為反射脈沖。圖1中泵浦光低于氣體的電離閾值，能直接穿過(guò)氣體光柵。電離脈沖為高于氣體電離閾值的短脈沖，氣體光柵電離成等離子體光柵時(shí)，等離子體光柵的邊界隨著電離脈沖以光速延伸。由于等離子體光柵的折射率變化為氣體光柵的兩個(gè)數(shù)量以上，形成的等離子體光柵將對(duì)泵浦光全反射。由于反射面以光速移動(dòng)，反射后的泵浦光在時(shí)間上疊加成一個(gè)短脈沖。 以氫氣氣體光柵作為背景氣體，研究人員引入1μm的泵浦激光和800 nm，30fs的電離激光，采用Opic和EPOCH粒子模擬程序?qū)嚎s過(guò)程進(jìn)行了模擬。圖2為不同泵浦光強(qiáng)度下的一維和二維模擬結(jié)果。其中圖2(a)和圖2(b)分別給出了振幅放大倍數(shù)和壓縮比。圖2(a)顯示在不同泵浦強(qiáng)度下(1012-5×1013W/cm2)的振幅放大率，粒子模擬結(jié)果和解析解(虛線(xiàn))在壓縮初期階段精確吻合，隨后由于等離子體不穩(wěn)定性和群速度色散的影響偏離，最終反射光的振幅能達(dá)到泵浦光25倍以上(600倍以上的光強(qiáng))出現(xiàn)飽和。圖2(b)顯示在不同泵浦強(qiáng)度下的壓縮比，模擬結(jié)果顯示壓縮比能到達(dá)2000-6000。圖2(c)給出了二維粒子模擬的壓縮脈沖演化情況，其中激光脈寬由40ps壓縮到10fs，光強(qiáng)由5×1013W/cm2放大到9×1016W/cm，壓縮效率約為35%。圖2(c)中泵浦光和電離脈沖都為高斯分布，改成6階超高斯分布后，壓縮效率達(dá)到60%以上。 為研究壓縮機(jī)制的穩(wěn)定性，研究人員開(kāi)展了非均勻等離子體下的激光壓縮粒子模擬。圖3顯示了激光在非均勻等離子體光柵中的激光壓縮效果。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)采用幅度為50%平均密度的隨機(jī)和正弦密度抖動(dòng)時(shí)，壓縮激光強(qiáng)度仍然保持良好的放大，其振幅達(dá)到泵浦激光的15倍以上(200倍以上的光強(qiáng))。同時(shí)，等離子光柵的頻率和激光的光譜幾乎不受影響。 圖2 (a)不同泵浦強(qiáng)度下的振幅放大率。(b)不同泵浦強(qiáng)度下的壓縮比。(c)二維壓縮脈沖的演化模擬結(jié)果。其中等離子體光柵平均密度為0.02nc，光柵振幅為50%平均等離子密度。 圖3 非均勻等離子體光柵的激光壓縮模擬結(jié)果。(a)幅度為50%的隨機(jī)和正弦密度抖動(dòng)等離子體光柵。(b)不同密度抖動(dòng)下的壓縮激光振幅增長(zhǎng)曲線(xiàn)。(c)不同密度抖動(dòng)下的光柵頻率。(d)不同密度抖動(dòng)下的壓縮激光光譜。 論文原文： Zhaohui Wu, Yanlei Zuo, Xiaoming Zeng, Zhaoli Li, Zhimeng Zhang, et al, "Laser compression via fast-extending plasma gratings", Matter and Radiation at Extremes 7, 064402 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0109574
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