【资讯】等离子体变身“末级放大器”，超宽带激光脉冲可达0.3 TW

想把一束激光放大到更高的功率，最后几级放大的元器件非常重要。越往后，激光越强，放大介质等器件更容易受损。为了避免损伤，人们通常需要把光束的直径扩得很大，同时，整套集光与传输系统的体积和成本也随之急剧增加。

       如果把最后一级放大器换成已经电离的等离子体呢？它没有传统固体材料那样的损伤阈值，可以承受远高于固体光学元件的光强。更有意思的是，除了放大激光功率，等离子体还能把脉冲进一步压短，提升激光质量。

       近期，美国罗切斯特大学激光能量学实验室、加州大学洛杉矶分校等团队发表在Nature Photonics 的论文中报道了一项等离子体拉曼放大实验，就成功将带宽超过60 nm的超宽带种子脉冲放大并压缩，测得64 fs的脉冲宽度和0.3 TW的峰值功率，比此前等离子体拉曼放大的功率纪录提高约10倍。

图1 等离子体拉曼放大实验装置图。泵浦光与种子光在预先加热形成的气体等离子体中反向相遇

       现在的超强、超短激光通常依赖啁啾脉冲放大技术，原理是先把短脉冲在时间上拉长，以降低瞬时峰值功率，再安全地放大能量，最后用压缩器把它重新压短。2018年诺贝尔物理学奖表彰的正是这一技术路线。虽然这种技术把激光峰值功率提升至拍瓦乃至10 PW量级，但在更高功率下，受限于光学器件的口径，放大晶体和压缩光栅等仍会遭受材料损伤。等离子体就不一样了，它本身已经是自由电子和离子组成的电离介质，谈不上像固体晶体那样被“击穿”。

       而且，等离子体还能同时承担放大和压缩两种功能。一方面，泵浦光与种子光的频差可以共振驱动电子等离子体波，使长脉冲泵浦的能量通过三波耦合转移给短种子光，增大激光功率。另一方面，电子等离子体波支持较宽的拉曼增益带宽，可以对种子光的多个频率分量进行放大。伴随光谱展宽和光谱相位展平，这种宽增益带宽使得等离子体能够将能量进一步集中到更短的时间窗口。

图2 等离子体

       研究人员提出了一种设想——如果在传统激光系统末端接上一段等离子体，作为放大与压缩模块，就可以像给发动机加装后燃器一样，把已有的激光强度进一步放大。

       实验采用的是等离子体中的受激拉曼散射。持续时间较长、能量较高的泵浦脉冲，与持续时间较短的种子脉冲在等离子体中反向传播，两束光的频率差驱动电子等离子体波，泵浦光通过这道“中间波”把能量转移给种子光。

       团队先用532 nm、1.3 ns、3.5 J的加热光束电离气体喷流，形成拉曼放大的等离子体介质。随后，泵浦光与种子光从相反方向进入等离子体。其中，泵浦光中心波长为1053 nm，脉宽约19.6至32.5 ps，单发到靶能量最高8.5 J，种子光中心波长为1170 nm，带宽超过60 nm，脉宽为119至183 fs，到靶能量最高11.7 mJ。种子光入射强度最高达到3.7×10^15 W/cm²，比固体放大器的损伤阈值高三到四个数量级。

       为了判断脉冲到底有没有被压短，研究人员在等离子体相互作用后使用单发SPIDER诊断技术，同时恢复光谱强度和光谱相位。

图3  实验中种子光与放大后信号光的光谱、光谱相位和时间波形。实线为放大后信号，点线为种子

       表现最好的压缩结果中，种子光带宽从64±2 nm展宽到80±2 nm，脉宽从130±26 fs降至64±26 fs，约缩短一半。与此同时，能量由9.5±0.4 mJ增加到21.1±1.2 mJ。两种效应叠加，峰值功率由约0.07 TW升至0.31 TW。

       实验还显示，在固定泵浦参数时，效率会随入射种子光强度增加而总体上升。研究人员用粒子模拟解释了这一现象：强种子光能够让系统更快进入非线性泵浦耗尽区，绕开效率较低的线性阶段。不过，在泵浦强度较强时，电子等离子体波会使泵浦耗尽趋于饱和，进而限制能量转移效率和种子光能量的进一步提升。

       后续，如果能使用更短的输入种子、更大的泵浦与种子光斑，也许可以继续提升效率，进一步靠近强场量子电动力学等实验所需的强度区间。

参考文献： 中国光学期刊网

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