全息圖是由反射物體(ti) 或照片的幹涉光束產(chan) 生的三維(3D)圖像。近年來，它們(men) 被用於(yu) 各種場合，例如加強員工培訓或創作更吸引人的藝術作品。

全息等離子體(ti) 透鏡及其產(chan) 生的激光焦點(藍色)的圖示。來源:Edwards等人。

Lawrence Livermore 國家實驗室、加州大學伯克利分校和普林斯頓大學的研究人員最近使用全息術設計了一種由等離子體(ti) 製成的新型透鏡。發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文介紹了這種透鏡，它可以使更先進的激光和光學技術的發展成為(wei) 可能。

“我們(men) 對等離子體(ti) 透鏡的研究來自於(yu) 對等離子體(ti) 光學的更大努力，我們(men) 一直試圖用等離子體(ti) 設計和製造光學組件，而不是用更傳(chuan) 統的材料，比如玻璃。”進行這項研究的研究人員之一Matthew Edwards說，“等離子體(ti) 是一種有用的光學材料，因為(wei) 它可以承受比任何固體(ti) 材料高得多的光強，因此我們(men) 可以使用等離子體(ti) 光學來建造緊湊型超高功率激光器。”

全息等離子體(ti) 透鏡的示意圖。

Edwards和他的同事在他們(men) 的論文中描述的衍射透鏡是基於(yu) 等離子體(ti) 衍射光柵的改進版本，這是一種著名的物理工具，用於(yu) 分離入射光中的顏色。因此，在準備他們(men) 的設計時，研究人員利用了他們(men) 在之前的光柵實驗中獲得的知識和發現。

從(cong) 本質上說，這種新型全息等離子體(ti) 透鏡利用光通過等離子體(ti) 時發生的相移來產(chan) 生相帶板。這本質上是一種光學，在這種光學中，光的建設性和破壞性幹涉在透鏡後產(chan) 生一個(ge) 高強度的焦點斑。

計算(3D PPS)厚等離子體(ti) 透鏡，顯示準直(a)和聚焦(b)取決(jue) 於(yu) 初始探針聚焦位置。

Edwards說:“等離子體(ti) 是由一對較弱的泵浦激光器之間的幹涉產(chan) 生和修正的。衍射透鏡的優(you) 點是它對等離子體(ti) 密度的缺陷有彈性。等離子體(ti) 很難控製，所以這種魯棒性很重要。”

Edwards 和他的同事設計的透鏡是基於(yu) 兩(liang) 個(ge) 共線泵浦激光器，在氣體(ti) 射流中有不同的焦點重疊。因為(wei) 是等離子體(ti) ，所以可以承受很高的光強度，比玻璃鏡片或其他非電離固體(ti) 材料鏡片的光強度高出1000到100萬(wan) 倍。

在他們(men) 的論文中，研究人員概述了衍射等離子體(ti) 透鏡的關(guan) 鍵設計原則。此外，他們(men) 還提出了支撐等離子體(ti) 功能的兩(liang) 種等離子體(ti) 機製的模擬結果，即空間變化的電離和質量驅動的離子密度波動。

利用三維非線性包絡方程求解器[(a)，(b)]和三維PIC模擬[(c)，(d)]模擬由SVI [(a)，(b)]和離子波動[(c)，(d)]形成的厚等離子體(ti) 透鏡的聚焦。

Edwards 和他的同事是第一批基於(yu) 實驗可實現的等離子體(ti) 特性設計透鏡的人。到目前為(wei) 止，這種透鏡還隻是在理論上設計和模擬，但很快就能在實驗室環境中通過實驗實現。

Edwards 說:“實驗證明這種透鏡所需的參數與(yu) 我們(men) 用等離子衍射光柵獲得的參數相似。”

等離子體(ti) 光學已經被證明是一種非常有前途的工具，因為(wei) 它們(men) 抗損傷(shang) ，可以用來操縱高強度的光。在未來，Edwards 創造的透鏡和其他類似的光學元件可以用於(yu) 製造高性能、高功率的等離子體(ti) 激光器。

Edwards 說:“這種類型的光學器件有可能創造出峰值功率遠高於(yu) 目前所能製造的激光器，為(wei) 探索高強度物理學開辟新的領域。我們(men) 現在正致力於(yu) 在實驗室中創造一個(ge) 等離子體(ti) 透鏡，使我們(men) 能夠通過實驗來檢查這種光學的性能和行為(wei) 。我們(men) 還在開發其他類型的等離子體(ti) 光學器件，目標是創建一個(ge) 綜合的等離子體(ti) 組件工具箱，用於(yu) 操縱高功率光。”

來源：Holographic Plasma Lenses, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.065003