掃帚作為一種清潔工具廣泛應用于日常生活中，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領域：即產(chǎn)生一把“光掃帚”，把光堆疊起來，實現(xiàn)對激光的壓縮。
過去的30年中，啁啾脈沖放大技術(chirped pulse amplification, CPA)的發(fā)展使得激光的峰值功率達到10PW(1016W)量級。然而，進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，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主要包括等離子體背向拉曼放大和強耦合布里淵放大。這兩項技術的物理過程比較復雜，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移入反向傳播的短脈沖種子光中，從而實現(xiàn)激光的壓縮。然而，盡管實驗上已經(jīng)證實了等離子體壓縮的可行性，該技術仍然距離應用比較遠。一個重要的原因為：這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制，該機制下激光的脈寬反而展寬且轉換效率十分低下。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會產(chǎn)生頻率藍移。然而，由于相對論效應的限制，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，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現(xiàn)“偽飛行鏡”：首先采用氣體中的布里淵效應產(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現(xiàn)對激光的壓縮。與現(xiàn)有的等離子體壓縮技術相比，“光掃帚”預先在氣體中產(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制。該方案得到粒子模擬程序EPOCH的證實，模擬結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，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數(shù)量以上，形成的等離子體光柵將對泵浦光全反射。由于反射面以光速移動，反射后的泵浦光在時間上疊加成一個短脈沖。 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粒子模擬程序對壓縮過程進行了模擬。圖2為不同泵浦光強度下的一維和二維模擬結果。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)顯示在不同泵浦強度下(1012-5×1013W/cm2)的振幅放大率，粒子模擬結果和解析解(虛線)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到泵浦光25倍以上(600倍以上的光強)出現(xiàn)飽和。圖2(b)顯示在不同泵浦強度下的壓縮比，模擬結果顯示壓縮比能到達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，壓縮效率達到60%以上。 為研究壓縮機制的穩(wěn)定性，研究人員開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。模擬結果顯示，當采用幅度為50%平均密度的隨機和正弦密度抖動時，壓縮激光強度仍然保持良好的放大，其振幅達到泵浦激光的15倍以上(200倍以上的光強)。同時，等離子光柵的頻率和激光的光譜幾乎不受影響。 圖2 (a)不同泵浦強度下的振幅放大率。(b)不同泵浦強度下的壓縮比。(c)二維壓縮脈沖的演化模擬結果。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果。(a)幅度為50%的隨機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。 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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