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扫帚作为一种清洁工具广泛应用于日常生活中，通过扫帚可以把房间里面散落的灰尘聚集起来。最近，研究人员将这个概念用于光学领域：即产生一把“光扫帚”，把光堆叠起来，实现对激光的压缩。 过去的30年中，啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA)的发展使得激光的峰值功率达到10PW(1016W)量级。然而，进一步提升激光的峰值功率受到材料损伤的限制。等离子体作为一种几乎不存在损伤阈值的介质，有望大幅度提升激光的峰值功率。目前，基于等离子体的激光压缩技术主要包括等离子体背向拉曼放大和强耦合布里渊放大。这两项技术的物理过程比较复杂，但是简而言之，就是激光与等离子体相互作用产生等离子体波，把长脉冲的泵浦光的能量转移入反向传播的短脉冲种子光中，从而实现激光的压缩。然而，尽管实验上已经证实了等离子体压缩的可行性，该技术仍然距离应用比较远。一个重要的原因为：这个等离子体波存在一个“婴儿”阶段，即需要从零增长起来。这样放大过程存在一个线性机制，该机制下激光的脉宽反而展宽且转换效率十分低下。并且由于此时的等离子体波比较脆弱，容易受到朗道阻尼、等离子体不均匀性、热效应和粒子俘获这类等离子体不稳定性的影响。 为此，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的吴朝辉、左言磊、李钊历等提出了一种新型光操作工具——等离子“光扫帚”。“光扫帚”对于激光压缩的原理类似于飞行镜。众所周知，当反射镜的飞行速度接近光速时，不同时刻反射的激光会叠加成一个超短脉冲，并且由于多普勒效应会产生频率蓝移。然而，由于相对论效应的限制，产生接近光速的飞行镜几乎不可能。对此，研究人员巧妙地采用了一种“伪飞行镜”的方案，即反射镜不动，但是边界以光速延伸。由于反射镜本身不动，反射激光没有多普勒效应，中心波长不移动，但是时间上仍然叠加成一个超短脉冲。 “光扫帚”通过等离子体光栅来实现“伪飞行镜”：首先采用气体中的布里渊效应产生气体光栅，随后采用短脉冲电离气体光栅形成边界以光速延伸的等离子体光栅，用该光栅反射反向传播的激光以实现对激光的压缩。与现有的等离子体压缩技术相比，“光扫帚”预先在气体中产生，避免了等离子体不稳定性带来的影响，且由于不存在增长过程，压缩过程直接越过了线性机制。该方案得到粒子模拟程序EPOCH的证实，模拟结果显示泵浦光能从数十皮秒压缩到2-3个周期左右，压缩效率达到60%以上，并且受到等离子体不均匀性影响较小。该成果以“Laser compression via fast-extending plasma gratings”为题，发表在MRE期刊2022年第7卷第6期上。
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图1 基于快速延伸等离子体光栅的激光压缩原理图 图1为快速延伸等离子光栅激光压缩原理。其中浅绿色的为气体光栅，红色的为长脉冲泵浦光，橙色的脉冲为电离脉冲、深绿色的为等离子体光栅，蓝色的为反射脉冲。图1中泵浦光低于气体的电离阈值，能直接穿过气体光栅。电离脉冲为高于气体电离阈值的短脉冲，气体光栅电离成等离子体光栅时，等离子体光栅的边界随着电离脉冲以光速延伸。由于等离子体光栅的折射率变化为气体光栅的两个数量以上，形成的等离子体光栅将对泵浦光全反射。由于反射面以光速移动，反射后的泵浦光在时间上叠加成一个短脉冲。 以氢气气体光栅作为背景气体，研究人员引入1μm的泵浦激光和800 nm，30fs的电离激光，采用Opic和EPOCH粒子模拟程序对压缩过程进行了模拟。图2为不同泵浦光强度下的一维和二维模拟结果。其中图2(a)和图2(b)分别给出了振幅放大倍数和压缩比。图2(a)显示在不同泵浦强度下(1012-5×1013W/cm2)的振幅放大率，粒子模拟结果和解析解(虚线)在压缩初期阶段精确吻合，随后由于等离子体不稳定性和群速度色散的影响偏离，最终反射光的振幅能达到泵浦光25倍以上(600倍以上的光强)出现饱和。图2(b)显示在不同泵浦强度下的压缩比，模拟结果显示压缩比能到达2000-6000。图2(c)给出了二维粒子模拟的压缩脉冲演化情况，其中激光脉宽由40ps压缩到10fs，光强由5×1013W/cm2放大到9×1016W/cm，压缩效率约为35%。图2(c)中泵浦光和电离脉冲都为高斯分布，改成6阶超高斯分布后，压缩效率达到60%以上。 为研究压缩机制的稳定性，研究人员开展了非均匀等离子体下的激光压缩粒子模拟。图3显示了激光在非均匀等离子体光栅中的激光压缩效果。模拟结果显示，当采用幅度为50%平均密度的随机和正弦密度抖动时，压缩激光强度仍然保持良好的放大，其振幅达到泵浦激光的15倍以上(200倍以上的光强)。同时，等离子光栅的频率和激光的光谱几乎不受影响。
图2 (a)不同泵浦强度下的振幅放大率。(b)不同泵浦强度下的压缩比。(c)二维压缩脉冲的演化模拟结果。其中等离子体光栅平均密度为0.02nc，光栅振幅为50%平均等离子密度。
图3 非均匀等离子体光栅的激光压缩模拟结果。(a)幅度为50%的随机和正弦密度抖动等离子体光栅。(b)不同密度抖动下的压缩激光振幅增长曲线。(c)不同密度抖动下的光栅频率。(d)不同密度抖动下的压缩激光光谱。
论文原文： 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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