【资讯】微结构等离子体靶实现极高强度紧聚焦激光脉冲

       该研究提出并系统验证了一种基于微结构等离子体FZP靶的激光聚焦方案。通过三维PIC模拟，详细分析了该方案的物理过程、靶的性能以及方案的鲁棒性。方案示意图如图1所示。

       光斑尺寸为15 μm、归一化电场振幅a0 = 250的高斯激光脉冲正入射至透射式奇数型FZP（TO-FZP）靶上。该靶由完全电离的碳离子和氢离子构成，电子密度为250nc。图中黑色区域代表等离子体区，可阻挡入射光传播；白色区域代表真空区，激光脉冲可自由通过。通过对环带半径进行精密设计，使从相邻透明区出射的光到达焦点处的光程差恰好为激光波长，对应的相位差为2π，从而在焦点处发生相长干涉，实现高效聚焦。这种基于等离子体的衍射光学元件，有望突破传统光学材料的强度极限，实现对拍瓦乃至更高功率激光的聚焦。

       模拟结果表明，相对论激光（强度约8.6×1022 W/cm²）与等离子体靶相互作用后，一部分激光穿过靶，另一部分则被反射。靶的特殊结构使得输出激光之间的相位差为2π的整数倍，从而在穿过FZP后形成干涉场。在后续传播过程中，透射激光逐渐聚焦，其峰值电场振幅增强至入射激光的约5倍，对应的峰值强度超过4.2×1024 W/cm²。同时，输出激光光斑尺寸被聚焦至0.73 μm，接近于0.61 μm的理论衍射极限。能量传输效率稳定在10%左右，对应的激光能量密度增强因子达到46。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射公式的理论预测的电场振幅最大值与模拟结果高度吻合，验证了该聚焦机制的物理可行性。此外，通过将输出激光的电场振幅与拟合高斯曲线对比（图2（e）），可以看出输出激光保留了输入激光的波形特征。

       此外，研究进一步探讨了反射式偶数型等离子体菲涅尔波带片（RE-FZP）的潜力。如图3（a）所示，该靶与图 3（d）中的透射式靶具有相同的环带数和横向尺寸，但其厚度显著增加。对于反射式靶，所有区域的透射率降为零，且奇数区和偶数区之间存在特定的厚度差。模拟结果显示，该反射式靶可将激光聚焦强度提升至1025 W/cm2以上，同时将能量传输效率提高至约15.4%。尽管反射式FZP能利用更多的入射激光能量，但可能在实验中带来激光信号探测与前置光学设备防护方面的挑战。

       图4汇总了多种基于激光等离子体相互作用的激光强度提升方案，其中星标表示本研究方案所取得的结果。该方案在百拍瓦级激光装置中展现出应用潜力。