【资讯】等离子体拉曼前向散射光放大取得新突破

自1985年Mourou和Strickland发明啁啾脉冲放大技术以来，激光的峰值功率和聚焦强度已经提升了7~8个数量级，由此开拓出一系列前沿物理课题和新技术。然而，目前光学放大系统中的各类光学元件（包括放大介质、透射、反射、衍射元件等）主要以固体材料为主，进一步提升激光功率（特别是拍瓦以上的高功率装置）面临着光学元件损伤与显著热效应等挑战；为了避免破坏阈值，光学口径和元件都必须做得非常庞大，这带来一系列技术上的困难和高昂的成本，极大地制约了强激光科学和应用的进一步发展。同时，受制于放大晶体的制备，当下高功率激光器中心波长也主要集中在0.8 μm和1.06 μm附近，缺乏对任意波段光脉冲放大的自由调控能力。

不同于固体，等离子体作为物质的第四态，能承受更高的能量密度。在过去的20年中，基于等离子体实现激光放大的主流方案包括拉曼背向散射与强耦合布里渊背向散射。这些方案利用两束相向传播的激光在等离子体中对撞，通过激发相应的等离子体波实现光脉冲的放大。然而，这两种光放大方案面临诸多内在物理和实验技术问题，从而影响实际放大效率。因此，探索更高效、更灵活、更具鲁棒性的新型等离子体光放大机制，特别是能够突破波长限制的方案，成为该领域亟待解决的关键挑战。

上海交通大学盛政明教授研究团队首次提出基于同向传播的泵浦和种子激光脉冲，在等离子体中激发拉曼前向散射过程，从而实现种子光脉冲放大的方案（FRA）。在FRA方案中，满足拉曼前散相位匹配条件的泵浦光脉冲和种子光脉冲同向注入相应密度的等离子体。由于种子光波长显著大于泵浦光，因此二者在等离子体中传播时，拥有更高群速度的泵浦光会逐渐超越种子光。在这一过程中，双光拍频叠加有效激发电子等离子体波，通过三波耦合过程实现泵浦光能量往种子光的持续转移，使得后者得到动态光放大。最后，放大的种子光脉冲在等离子体中独立传播，其高光强会触发自相位调制效应，脉宽被压缩至准单周期，光强也进一步提升。上述完整过程如图1所示，其中EPW为电子等离子体波。

图1 等离子体中FRA方案示意图

研究团队通过系列数值模拟，重点研究了实际实验条件下该方案的放大效果，包括分析非均匀等离子体密度分布、气体电离、粒子碰撞、电子温度等关键效应的影响，如图2所示。并利用二维粒子模拟程序进一步证实了FRA方案在实际几何构型下实现大尺度光斑放大的可靠性，论述了通过采用毫米尺度光斑的种子光，FRA将具备拍瓦量级高功率、少周期、近红外光脉冲的输出能力。

图2 等离子体拉曼前散光放大数值模拟结果

同时，团队基于理论模型给定了光放大的频率参数区间，并提出实验中可通过调节喷嘴气压和气体介质，能够实现高效且低成本的等离子体密度调控，为光放大提供不同且可定制的介质色散关系，从而支持不同波段光脉冲的放大，甚至实现级联波长放大。这一特性是传统非线性晶体无法实现的。此外，团队从实验实现与物理效应两方面，对FRA方案的局限性及应对策略进行了分析，包括双光同轴传输的实验调控方案、等离子体碰撞效应带来的能量损失、双光时间同步偏差影响、激光脉冲载波包络相位（CEP）稳定性等物理效应，并基于拉盖尔-高斯光脉冲对比了当下三种等离子体光放大方案。研究表明，等离子体不均匀性、气体电离、电子温度、大尺度光斑横向成丝不稳定性等潜在负面效应，对该方案的影响十分有限。因此，相较于传统非线性晶体光放大及其他等离子体背散光放大方案，FRA方案具备空间紧凑、功率高、周期少、信噪比高、波长可调谐等特点，且其双光同向传播构型还兼具放大效率高、实验方案简洁、等离子体鲁棒性强等优势。

团队后续将开展等离子体光放大实验等相关工作，验证拉曼前散光放大机制，以及通过调节等离子体密度实现放大光脉冲的频率调谐；此外，团队也将继续探索等离子体光放大中的相位失谐过程，从理论上突破失谐限制与现有单束激光器功率瓶颈，进而构建更高效、更高鲁棒性的小型化光放大方案，为极端强场量子电动力学等物理研究提供可行验证平台。

参考文献： 中国光学期刊网

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