掃帚作為(wei) 一種清潔工具廣泛應用於(yu) 日常生活中，通過掃帚可以把房間裏麵散落的灰塵聚集起來。最近，研究人員將這個(ge) 概念用於(yu) 光學領域：即產(chan) 生一把“光掃帚”，把光堆疊起來，實現對激光的壓縮。

過去的30年中，啁啾脈衝(chong) 放大技術(chirped pulse amplification, CPA)的發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(shang) 的限製。等離子體(ti) 作為(wei) 一種幾乎不存在損傷(shang) 閾值的介質，有望大幅度提升激光的峰值功率。目前，基於(yu) 等離子體(ti) 的激光壓縮技術主要包括等離子體(ti) 背向拉曼放大和強耦合布裏淵放大。這兩(liang) 項技術的物理過程比較複雜，但是簡而言之，就是激光與(yu) 等離子體(ti) 相互作用產(chan) 生等離子體(ti) 波，把長脈衝(chong) 的泵浦光的能量轉移入反向傳(chuan) 播的短脈衝(chong) 種子光中，從(cong) 而實現激光的壓縮。然而，盡管實驗上已經證實了等離子體(ti) 壓縮的可行性，該技術仍然距離應用比較遠。一個(ge) 重要的原因為(wei) ：這個(ge) 等離子體(ti) 波存在一個(ge) “嬰兒(er) ”階段，即需要從(cong) 零增長起來。這樣放大過程存在一個(ge) 線性機製，該機製下激光的脈寬反而展寬且轉換效率十分低下。並且由於(yu) 此時的等離子體(ti) 波比較脆弱，容易受到朗道阻尼、等離子體(ti) 不均勻性、熱效應和粒子俘獲這類等離子體(ti) 不穩定性的影響。

為(wei) 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、李釗曆等提出了一種新型光操作工具——等離子“光掃帚”。“光掃帚”對於(yu) 激光壓縮的原理類似於(yu) 飛行鏡。眾(zhong) 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(hui) 疊加成一個(ge) 超短脈衝(chong) ，並且由於(yu) 多普勒效應會(hui) 產(chan) 生頻率藍移。然而，由於(yu) 相對論效應的限製，產(chan) 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(wei) 飛行鏡”的方案，即反射鏡不動，但是邊界以光速延伸。由於(yu) 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(ge) 超短脈衝(chong) 。

 “光掃帚”通過等離子體(ti) 光柵來實現“偽(wei) 飛行鏡”：首先采用氣體(ti) 中的布裏淵效應產(chan) 生氣體(ti) 光柵，隨後采用短脈衝(chong) 電離氣體(ti) 光柵形成邊界以光速延伸的等離子體(ti) 光柵，用該光柵反射反向傳(chuan) 播的激光以實現對激光的壓縮。與(yu) 現有的等離子體(ti) 壓縮技術相比，“光掃帚”預先在氣體(ti) 中產(chan) 生，避免了等離子體(ti) 不穩定性帶來的影響，且由於(yu) 不存在增長過程，壓縮過程直接越過了線性機製。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(cong) 數十皮秒壓縮到2-3個(ge) 周期左右，壓縮效率達到60%以上，並且受到等離子體(ti) 不均勻性影響較小。該成果以“Laser compression via fast-extending plasma gratings”為(wei) 題，發表在MRE期刊2022年第7卷第6期上。

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)二維壓縮脈衝(chong) 的演化模擬結果。其中等離子體(ti) 光柵平均密度為(wei) 0.02nc，光柵振幅為(wei) 50%平均等離子密度。

圖3  非均勻等離子體(ti) 光柵的激光壓縮模擬結果。(a)幅度為(wei) 50%的隨機和正弦密度抖動等離子體(ti) 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