《Communications Physics》: 用于高功率激光的“幽灵镜”

据悉，斯特拉斯克莱德大学领导的一项研究已经生产出了能够反射或操纵光线的激光驱动“镜子”。这项瞬态等离子体光子结构在等离子体基放大器中作用的新研究以“The role of transient plasma photonic structures in plasma-based amplifiers”为题发表在《Communications Physics》上。

斯特拉斯克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授领导了这项研究。Dino Jaroszynski教授是苏格兰等离子加速器应用中心(SCAPA)的主任，该中心拥有英国最高功率的激光器之一。他说:“高功率激光器是医学、生物学、材料科学、化学和物理学等许多领域研究的工具。”

Dino Jaroszynski教授的实验装置。来源:斯特拉斯克莱德大学

这面“镜子”的存在是短暂的，只有几皮秒——不到1/ 100,000,000,000,000秒——它幽灵般的存在使非常强烈的激光被反射或操纵。可以帮助将超高功率激光器的尺寸缩小到大学地下室大小。目前，超高功率激光器占用的建筑物有飞机库那么大。

图1:主要实验结果。a种子方向的反向散射能量。组合泵和种子发射用固体符号表示，正频率啁啾用圆形和三角形表示，负频率啁啾用正方形表示。空符号表示没有种子脉冲的对应镜头，即噪声散射。不同的符号形状代表不同的运行。能量值为三次射击的平均值，误差为标准偏差。推断血浆密度的误差估计为±20%。当错误条不可见时，它们的长度小于或等于符号大小。b c是单发谱。实线(蓝色):相互作用后的种子谱;虚线(绿色):初始种子谱;红色虚线:无籽泵后向散射信号频谱。曲线下的区域已经归一化为测量的能量，假设很少有能量落在光谱窗口之外。b泵具有正频率啁啾，等离子体密度~1.5 ×1019cm−3;c泵具有负频率啁啾，等离子体密度~1019cm−3。最长的可观测波长为~880 nm，因为与b相比使用了不同的光谱仪光栅。c中的插图显示了与c相同的放大刻度的数据。

图2a, b显示了分别来自1D模拟的正啁啾和负啁啾泵脉冲的放大种子电场包络。研究人员将辐射场分为三个部分:(橙色)在种子脉冲之前，(紫色)在种子脉冲内部，(绿色)在种子脉冲后面。对于正啁啾和负啁啾，分别计算了约14和20倍的种子脉冲能量放大(图2a, b中的中间(紫色)区域)。加上由于散射光拖着种子造成的能量贡献，放大因子分别增加到42和24。这与实验观测结果在定性上是一致的，特别是对正泵啁啾的更高能量的测量。

图2:一维模拟结果。a、b分别为正啁啾泵脉冲和负啁啾泵脉冲相互作用后的电场包络。在种子脉冲之前产生的后向散射用橙色表示，放大的种子脉冲用紫色表示，跟踪种子脉冲的散射光用绿色表示。插图I显示了最初的种子包膜。插图II、III显示放大的种子脉冲(紫色区域)。c, d分别为a和b得到的光谱。配色方案将光谱与时间段联系起来。黑色虚线表示初始种子谱。所有光谱归一化到相同的值。e、f分别为正、负频率啁啾的电子密度谱。谱在种子脉冲离开等离子体时计算(种子从上到下传播)。波数以近似逆拍波长为单位给出，2/λ0 = 1/400 nm−1。g、h与e、f相似，但对应于离子密度谱。电子密度谱振幅已乘以因子四，以在与离子密度谱相同的尺度上可见。在f和h中，当以e和g相同的尺度呈现时，光栅的光谱特征是不可见的。

图3:光栅区域的时间演化。分析表明，以2.665 mm为中心的27 μm区域。初始时间与种子穿过感兴趣的等离子体区域的时间密切相关。电子光栅(绿色圆圈)和离子光栅(橙色方块)的基波数的频谱振幅作为时间的函数显示在正啁啾的a和负啁啾的b中。c、d表示电子光栅和离子光栅在基波数处的相位。

为了与研究人员的实验测量进行更定量的比较，研究人员进行了二维模拟，如图4所示。相互作用前种子脉冲的强度分布如图4a所示，其频谱如图4d所示。正泵啁啾和负泵啁啾相互作用后的强度分布如图4b、c所示。对于初始种子脉冲的能量积分，分别计算了正啁啾和负啁啾的放大因子≈8和≈6。包括种子前和种子后的散射光，放大系数分别为≈24和≈17。这与1D模拟是一致的，从光谱中可以识别出相同的物理过程(图4e-g)，即1D和2D PIC模拟都定性地再现了实验中观察到的正啁啾的较大放大，这表明长寿命TPPS的散射具有重要作用。此外，这种散射泵浦辐射的光谱几乎完全重叠于种子光谱范围。

图4:二维模拟结果。a初始种子振幅剖面。b, c分别与频率为正啁啾和负啁啾的泵浦光束相互作用后放大的种子场包络。在种子前面的泵背散射没有完全显示。初始种子的功率谱如d所示，通过散射信号中心的出线功率谱如e- g所示，对于正啁啾和h - j，对于负啁啾:e，分散在种子前面的信号的h谱;f，扩增种子的I谱;g、j谱的信号分散到种子后面的拖尾区域。所有光谱都由h中所示光谱的最大峰值归一化。

来自斯特拉斯克莱德的Gregory Vieux博士与Jaroszynski教授一起在科学技术设施委员会(STFC)的卢瑟福阿普尔顿实验室(RAL)设计并进行了实验，他说:“这种生产瞬态强等离子体镜的新方法可能会彻底改变加速器和光源，因为它将使它们非常紧凑，能够产生超短持续时间的超强光脉冲，比其他任何方法都容易产生的光脉冲要短得多。”

“等离子体可以承受高达10的18次方瓦特每平方厘米的强度，这超过了传统光学损伤的阈值4到5个数量级。这将使光学元件的尺寸减小两到三个数量级，将米大小的光学器件缩小到毫米或厘米。”

这种制造反射镜和其他光学元件的新方法，为开发下一代高功率激光器指明了方向，从几百petawatts (1015瓦)到exawatts (1018瓦)。这有潜力被开发成各种基于等离子体的高损伤阈值光学元件，可带来更小占地面积，超高功率，超短脉冲激光系统。其产生和保持强大光栅的能力可以为操纵、反射和压缩超强激光脉冲提供重大进展。