《Communications Physics》: 用於高功率激光的“幽靈鏡”

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

斯特拉斯克萊德大學物理係的Dino Jaroszynski教授領導了這項研究。Dino Jaroszynski教授是蘇格蘭(lan) 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:“高功率激光器是醫學、生物學、材料科學、化學和物理學等許多領域研究的工具。”

Dino Jaroszynski教授的實驗裝置。來源:斯特拉斯克萊德大學

這麵“鏡子”的存在是短暫的，隻有幾皮秒——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築物有飛機庫那麽(me) 大。

圖1:主要實驗結果。a種子方向的反向散射能量。組合泵和種子發射用固體(ti) 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。空符號表示沒有種子脈衝(chong) 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(wei) 三次射擊的平均值，誤差為(wei) 標準偏差。推斷血漿密度的誤差估計為(wei) ±20%。當錯誤條不可見時，它們(men) 的長度小於(yu) 或等於(yu) 符號大小。b c是單發譜。實線(藍色):相互作用後的種子譜;虛線(綠色):初始種子譜;紅色虛線:無籽泵後向散射信號頻譜。曲線下的區域已經歸一化為(wei) 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(ti) 密度~1.5 ×1019cm−3;c泵具有負頻率啁啾，等離子體(ti) 密度~1019cm−3。最長的可觀測波長為(wei) ~880 nm，因為(wei) 與(yu) b相比使用了不同的光譜儀(yi) 光柵。c中的插圖顯示了與(yu) c相同的放大刻度的數據。

圖2a, b顯示了分別來自1D模擬的正啁啾和負啁啾泵脈衝(chong) 的放大種子電場包絡。研究人員將輻射場分為(wei) 三個(ge) 部分:(橙色)在種子脈衝(chong) 之前，(紫色)在種子脈衝(chong) 內(nei) 部，(綠色)在種子脈衝(chong) 後麵。對於(yu) 正啁啾和負啁啾，分別計算了約14和20倍的種子脈衝(chong) 能量放大(圖2a, b中的中間(紫色)區域)。加上由於(yu) 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(yu) 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(wei) 正啁啾泵脈衝(chong) 和負啁啾泵脈衝(chong) 相互作用後的電場包絡。在種子脈衝(chong) 之前產(chan) 生的後向散射用橙色表示，放大的種子脈衝(chong) 用紫色表示，跟蹤種子脈衝(chong) 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顯示放大的種子脈衝(chong) (紫色區域)。c, d分別為(wei) a和b得到的光譜。配色方案將光譜與(yu) 時間段聯係起來。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(wei) 正、負頻率啁啾的電子密度譜。譜在種子脈衝(chong) 離開等離子體(ti) 時計算(種子從(cong) 上到下傳(chuan) 播)。波數以近似逆拍波長為(wei) 單位給出，2/λ0 = 1/400 nm−1。g、h與(yu) e、f相似，但對應於(yu) 離子密度譜。電子密度譜振幅已乘以因子四，以在與(yu) 離子密度譜相同的尺度上可見。在f和h中，當以e和g相同的尺度呈現時，光柵的光譜特征是不可見的。

圖3:光柵區域的時間演化。分析表明，以2.665 mm為(wei) 中心的27 μm區域。初始時間與(yu) 種子穿過感興(xing) 趣的等離子體(ti) 區域的時間密切相關(guan) 。電子光柵(綠色圓圈)和離子光柵(橙色方塊)的基波數的頻譜振幅作為(wei) 時間的函數顯示在正啁啾的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處的相位。

為(wei) 了與(yu) 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。相互作用前種子脈衝(chong) 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後的強度分布如圖4b、c所示。對於(yu) 初始種子脈衝(chong) 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。包括種子前和種子後的散射光，放大係數分別為(wei) ≈24和≈17。這與(yu) 1D模擬是一致的，從(cong) 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於(yu) 種子光譜範圍。

圖4:二維模擬結果。a初始種子振幅剖麵。b, c分別與(yu) 頻率為(wei) 正啁啾和負啁啾的泵浦光束相互作用後放大的種子場包絡。在種子前麵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，對於(yu) 正啁啾和h - j，對於(yu) 負啁啾:e，分散在種子前麵的信號的h譜;f，擴增種子的I譜;g、j譜的信號分散到種子後麵的拖尾區域。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(yu) Jaroszynski教授一起在科學技術設施委員會(hui) (STFC)的盧瑟福阿普爾頓實驗室(RAL)設計並進行了實驗，他說:“這種生產(chan) 瞬態強等離子體(ti) 鏡的新方法可能會(hui) 徹底改變加速器和光源，因為(wei) 它將使它們(men) 非常緊湊，能夠產(chan) 生超短持續時間的超強光脈衝(chong) ，比其他任何方法都容易產(chan) 生的光脈衝(chong) 要短得多。”

“等離子體(ti) 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(chuan) 統光學損傷(shang) 的閾值4到5個(ge) 數量級。這將使光學元件的尺寸減小兩(liang) 到三個(ge) 數量級，將米大小的光學器件縮小到毫米或厘米。”

這種製造反射鏡和其他光學元件的新方法，為(wei) 開發下一代高功率激光器指明了方向，從(cong) 幾百petawatts (1015瓦)到exawatts (1018瓦)。這有潛力被開發成各種基於(yu) 等離子體(ti) 的高損傷(shang) 閾值光學元件，可帶來更小占地麵積，超高功率，超短脈衝(chong) 激光係統。其產(chan) 生和保持強大光柵的能力可以為(wei) 操縱、反射和壓縮超強激光脈衝(chong) 提供重大進展。