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據(jù)悉，斯特拉斯克萊德大學領導的一項研究已經生產出了能夠反射或操縱光線的激光驅動“鏡子”。這項瞬態(tài)等離子體光子結構在等離子體基放大器中作用的新研究以“The role of transient plasma photonic structures in plasma-based amplifiers”為題發(fā)表在《Communications Physics》上。

斯特拉斯克萊德大學物理系的Dino Jaroszynski教授領導了這項研究。Dino Jaroszynski教授是蘇格蘭等離子加速器應用中心(SCAPA)的主任，該中心擁有英國最高功率的激光器之一。他說:“高功率激光器是醫(yī)學、生物學、材料科學、化學和物理學等許多領域研究的工具?！?/p>

Dino Jaroszynski教授的實驗裝置。來源:斯特拉斯克萊德大學

這面“鏡子”的存在是短暫的，只有幾皮秒——不到1/ 100,000,000,000,000秒——它幽靈般的存在使非常強烈的激光被反射或操縱。可以幫助將超高功率激光器的尺寸縮小到大學地下室大小。目前，超高功率激光器占用的建筑物有飛機庫那么大。

圖1:主要實驗結果。a種子方向的反向散射能量。組合泵和種子發(fā)射用固體符號表示，正頻率啁啾用圓形和三角形表示，負頻率啁啾用正方形表示?？辗柋硎緵]有種子脈沖的對應鏡頭，即噪聲散射。不同的符號形狀代表不同的運行。能量值為三次射擊的平均值，誤差為標準偏差。推斷血漿密度的誤差估計為±20%。當錯誤條不可見時，它們的長度小于或等于符號大小。b c是單發(fā)譜。實線(藍色):相互作用后的種子譜;虛線(綠色):初始種子譜;紅色虛線:無籽泵后向散射信號頻譜。曲線下的區(qū)域已經歸一化為測量的能量，假設很少有能量落在光譜窗口之外。b泵具有正頻率啁啾，等離子體密度~1.5 ×1019cm?3;c泵具有負頻率啁啾，等離子體密度~1019cm?3。最長的可觀測波長為~880 nm，因為與b相比使用了不同的光譜儀光柵。c中的插圖顯示了與c相同的放大刻度的數(shù)據(jù)。

圖2a, b顯示了分別來自1D模擬的正啁啾和負啁啾泵脈沖的放大種子電場包絡。研究人員將輻射場分為三個部分:(橙色)在種子脈沖之前，(紫色)在種子脈沖內部，(綠色)在種子脈沖后面。對于正啁啾和負啁啾，分別計算了約14和20倍的種子脈沖能量放大(圖2a, b中的中間(紫色)區(qū)域)。加上由于散射光拖著種子造成的能量貢獻，放大因子分別增加到42和24。這與實驗觀測結果在定性上是一致的，特別是對正泵啁啾的更高能量的測量。

圖2:一維模擬結果。a、b分別為正啁啾泵脈沖和負啁啾泵脈沖相互作用后的電場包絡。在種子脈沖之前產生的后向散射用橙色表示，放大的種子脈沖用紫色表示，跟蹤種子脈沖的散射光用綠色表示。插圖I顯示了最初的種子包膜。插圖II、III顯示放大的種子脈沖(紫色區(qū)域)。c, d分別為a和b得到的光譜。配色方案將光譜與時間段聯(lián)系起來。黑色虛線表示初始種子譜。所有光譜歸一化到相同的值。e、f分別為正、負頻率啁啾的電子密度譜。譜在種子脈沖離開等離子體時計算(種子從上到下傳播)。波數(shù)以近似逆拍波長為單位給出，2/λ0 = 1/400 nm?1。g、h與e、f相似，但對應于離子密度譜。電子密度譜振幅已乘以因子四，以在與離子密度譜相同的尺度上可見。在f和h中，當以e和g相同的尺度呈現(xiàn)時，光柵的光譜特征是不可見的。

圖3:光柵區(qū)域的時間演化。分析表明，以2.665 mm為中心的27 μm區(qū)域。初始時間與種子穿過感興趣的等離子體區(qū)域的時間密切相關。電子光柵(綠色圓圈)和離子光柵(橙色方塊)的基波數(shù)的頻譜振幅作為時間的函數(shù)顯示在正啁啾的a和負啁啾的b中。c、d表示電子光柵和離子光柵在基波數(shù)處的相位。

為了與研究人員的實驗測量進行更定量的比較，研究人員進行了二維模擬，如圖4所示。相互作用前種子脈沖的強度分布如圖4a所示，其頻譜如圖4d所示。正泵啁啾和負泵啁啾相互作用后的強度分布如圖4b、c所示。對于初始種子脈沖的能量積分，分別計算了正啁啾和負啁啾的放大因子≈8和≈6。包括種子前和種子后的散射光，放大系數(shù)分別為≈24和≈17。這與1D模擬是一致的，從光譜中可以識別出相同的物理過程(圖4e-g)，即1D和2D PIC模擬都定性地再現(xiàn)了實驗中觀察到的正啁啾的較大放大，這表明長壽命TPPS的散射具有重要作用。此外，這種散射泵浦輻射的光譜幾乎完全重疊于種子光譜范圍。

圖4:二維模擬結果。a初始種子振幅剖面。b, c分別與頻率為正啁啾和負啁啾的泵浦光束相互作用后放大的種子場包絡。在種子前面的泵背散射沒有完全顯示。初始種子的功率譜如d所示，通過散射信號中心的出線功率譜如e- g所示，對于正啁啾和h - j，對于負啁啾:e，分散在種子前面的信號的h譜;f，擴增種子的I譜;g、j譜的信號分散到種子后面的拖尾區(qū)域。所有光譜都由h中所示光譜的最大峰值歸一化。

來自斯特拉斯克萊德的Gregory Vieux博士與Jaroszynski教授一起在科學技術設施委員會(STFC)的盧瑟福阿普爾頓實驗室(RAL)設計并進行了實驗，他說:“這種生產瞬態(tài)強等離子體鏡的新方法可能會徹底改變加速器和光源，因為它將使它們非常緊湊，能夠產生超短持續(xù)時間的超強光脈沖，比其他任何方法都容易產生的光脈沖要短得多。”

“等離子體可以承受高達10的18次方瓦特每平方厘米的強度，這超過了傳統(tǒng)光學損傷的閾值4到5個數(shù)量級。這將使光學元件的尺寸減小兩到三個數(shù)量級，將米大小的光學器件縮小到毫米或厘米?！?/p>

這種制造反射鏡和其他光學元件的新方法，為開發(fā)下一代高功率激光器指明了方向，從幾百petawatts (1015瓦)到exawatts (1018瓦)。這有潛力被開發(fā)成各種基于等離子體的高損傷閾值光學元件，可帶來更小占地面積，超高功率，超短脈沖激光系統(tǒng)。其產生和保持強大光柵的能力可以為操縱、反射和壓縮超強激光脈沖提供重大進展。