掃帚作為一種清潔工具廣泛應(yīng)用于日常生活中，通過掃帚可以把房間里面散落的灰塵聚集起來。最近，研究人員將這個概念用于光學(xué)領(lǐng)域：即產(chǎn)生一把“光掃帚”，把光堆疊起來，實(shí)現(xiàn)對激光的壓縮。

過去的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。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)的物理過程比較復(fù)雜，但是簡而言之，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)。一個重要的原因?yàn)椋哼@個等離子體波存在一個“嬰兒”階段，即需要從零增長起來。這樣放大過程存在一個線性機(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)和粒子俘獲這類等離子體不穩(wěn)定性的影響。

為此，中國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τ诩す鈮嚎s的原理類似于飛行鏡。眾所周知，當(dāng)反射鏡的飛行速度接近光速時，不同時刻反射的激光會疊加成一個超短脈沖，并且由于多普勒效應(yīng)會產(chǎn)生頻率藍(lán)移。然而，由于相對論效應(yīng)的限制，產(chǎn)生接近光速的飛行鏡幾乎不可能。對此，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，但是邊界以光速延伸。由于反射鏡本身不動，反射激光沒有多普勒效應(yīng)，中心波長不移動，但是時間上仍然疊加成一個超短脈沖。

 “光掃帚”通過等離子體光柵來實(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)定性帶來的影響，且由于不存在增長過程，壓縮過程直接越過了線性機(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)和正弦密度抖動等離子體光柵。(b)不同密度抖動下的壓縮激光振幅增長曲線。(c)不同密度抖動下的光柵頻率。(d)不同密度抖動下的壓縮激光光譜。

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