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據(jù)悉，斯特拉斯克萊德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究已經(jīng)生產(chǎn)出了能夠反射或操縱光線的激光驅(qū)動(dòng)“鏡子”。這項(xiàng)瞬態(tài)等離子體光子結(jié)構(gòu)在等離子體基放大器中作用的新研究以“The role of transient plasma photonic structures in plasma-based amplifiers”為題發(fā)表在《Communications Physics》上。

斯特拉斯克萊德大學(xué)物理系的Dino Jaroszynski教授領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。Dino Jaroszynski教授是蘇格蘭等離子加速器應(yīng)用中心(SCAPA)的主任，該中心擁有英國(guó)最高功率的激光器之一。他說(shuō):“高功率激光器是醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等許多領(lǐng)域研究的工具?！?/p>

Dino Jaroszynski教授的實(shí)驗(yàn)裝置。來(lái)源:斯特拉斯克萊德大學(xué)

這面“鏡子”的存在是短暫的，只有幾皮秒——不到1/ 100,000,000,000,000秒——它幽靈般的存在使非常強(qiáng)烈的激光被反射或操縱?？梢詭椭鷮⒊吖β始す馄鞯某叽缈s小到大學(xué)地下室大小。目前，超高功率激光器占用的建筑物有飛機(jī)庫(kù)那么大。

圖1:主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。a種子方向的反向散射能量。組合泵和種子發(fā)射用固體符號(hào)表示，正頻率啁啾用圓形和三角形表示，負(fù)頻率啁啾用正方形表示?？辗?hào)表示沒(méi)有種子脈沖的對(duì)應(yīng)鏡頭，即噪聲散射。不同的符號(hào)形狀代表不同的運(yùn)行。能量值為三次射擊的平均值，誤差為標(biāo)準(zhǔn)偏差。推斷血漿密度的誤差估計(jì)為±20%。當(dāng)錯(cuò)誤條不可見(jiàn)時(shí)，它們的長(zhǎng)度小于或等于符號(hào)大小。b c是單發(fā)譜。實(shí)線(藍(lán)色):相互作用后的種子譜;虛線(綠色):初始種子譜;紅色虛線:無(wú)籽泵后向散射信號(hào)頻譜。曲線下的區(qū)域已經(jīng)歸一化為測(cè)量的能量，假設(shè)很少有能量落在光譜窗口之外。b泵具有正頻率啁啾，等離子體密度~1.5 ×1019cm?3;c泵具有負(fù)頻率啁啾，等離子體密度~1019cm?3。最長(zhǎng)的可觀測(cè)波長(zhǎng)為~880 nm，因?yàn)榕cb相比使用了不同的光譜儀光柵。c中的插圖顯示了與c相同的放大刻度的數(shù)據(jù)。

圖2a, b顯示了分別來(lái)自1D模擬的正啁啾和負(fù)啁啾泵脈沖的放大種子電場(chǎng)包絡(luò)。研究人員將輻射場(chǎng)分為三個(gè)部分:(橙色)在種子脈沖之前，(紫色)在種子脈沖內(nèi)部，(綠色)在種子脈沖后面。對(duì)于正啁啾和負(fù)啁啾，分別計(jì)算了約14和20倍的種子脈沖能量放大(圖2a, b中的中間(紫色)區(qū)域)。加上由于散射光拖著種子造成的能量貢獻(xiàn)，放大因子分別增加到42和24。這與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果在定性上是一致的，特別是對(duì)正泵啁啾的更高能量的測(cè)量。

圖2:一維模擬結(jié)果。a、b分別為正啁啾泵脈沖和負(fù)啁啾泵脈沖相互作用后的電場(chǎng)包絡(luò)。在種子脈沖之前產(chǎn)生的后向散射用橙色表示，放大的種子脈沖用紫色表示，跟蹤種子脈沖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顯示放大的種子脈沖(紫色區(qū)域)。c, d分別為a和b得到的光譜。配色方案將光譜與時(shí)間段聯(lián)系起來(lái)。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分別為正、負(fù)頻率啁啾的電子密度譜。譜在種子脈沖離開(kāi)等離子體時(shí)計(jì)算(種子從上到下傳播)。波數(shù)以近似逆拍波長(zhǎng)為單位給出，2/λ0 = 1/400 nm?1。g、h與e、f相似，但對(duì)應(yīng)于離子密度譜。電子密度譜振幅已乘以因子四，以在與離子密度譜相同的尺度上可見(jiàn)。在f和h中，當(dāng)以e和g相同的尺度呈現(xiàn)時(shí)，光柵的光譜特征是不可見(jiàn)的。

圖3:光柵區(qū)域的時(shí)間演化。分析表明，以2.665 mm為中心的27 μm區(qū)域。初始時(shí)間與種子穿過(guò)感興趣的等離子體區(qū)域的時(shí)間密切相關(guān)。電子光柵(綠色圓圈)和離子光柵(橙色方塊)的基波數(shù)的頻譜振幅作為時(shí)間的函數(shù)顯示在正啁啾的a和負(fù)啁啾的b中。c、d表示電子光柵和離子光柵在基波數(shù)處的相位。

為了與研究人員的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行更定量的比較，研究人員進(jìn)行了二維模擬，如圖4所示。相互作用前種子脈沖的強(qiáng)度分布如圖4a所示，其頻譜如圖4d所示。正泵啁啾和負(fù)泵啁啾相互作用后的強(qiáng)度分布如圖4b、c所示。對(duì)于初始種子脈沖的能量積分，分別計(jì)算了正啁啾和負(fù)啁啾的放大因子≈8和≈6。包括種子前和種子后的散射光，放大系數(shù)分別為≈24和≈17。這與1D模擬是一致的，從光譜中可以識(shí)別出相同的物理過(guò)程(圖4e-g)，即1D和2D PIC模擬都定性地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的正啁啾的較大放大，這表明長(zhǎng)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于種子光譜范圍。

圖4:二維模擬結(jié)果。a初始種子振幅剖面。b, c分別與頻率為正啁啾和負(fù)啁啾的泵浦光束相互作用后放大的種子場(chǎng)包絡(luò)。在種子前面的泵背散射沒(méi)有完全顯示。初始種子的功率譜如d所示，通過(guò)散射信號(hào)中心的出線功率譜如e- g所示，對(duì)于正啁啾和h - j，對(duì)于負(fù)啁啾:e，分散在種子前面的信號(hào)的h譜;f，擴(kuò)增種子的I譜;g、j譜的信號(hào)分散到種子后面的拖尾區(qū)域。所有光譜都由h中所示光譜的最大峰值歸一化。

來(lái)自斯特拉斯克萊德的Gregory Vieux博士與Jaroszynski教授一起在科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)(STFC)的盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室(RAL)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他說(shuō):“這種生產(chǎn)瞬態(tài)強(qiáng)等離子體鏡的新方法可能會(huì)徹底改變加速器和光源，因?yàn)樗鼘⑹顾鼈兎浅＞o湊，能夠產(chǎn)生超短持續(xù)時(shí)間的超強(qiáng)光脈沖，比其他任何方法都容易產(chǎn)生的光脈沖要短得多?！?/p>

“等離子體可以承受高達(dá)10的18次方瓦特每平方厘米的強(qiáng)度，這超過(guò)了傳統(tǒng)光學(xué)損傷的閾值4到5個(gè)數(shù)量級(jí)。這將使光學(xué)元件的尺寸減小兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，將米大小的光學(xué)器件縮小到毫米或厘米?！?/p>

這種制造反射鏡和其他光學(xué)元件的新方法，為開(kāi)發(fā)下一代高功率激光器指明了方向，從幾百petawatts (1015瓦)到exawatts (1018瓦)。這有潛力被開(kāi)發(fā)成各種基于等離子體的高損傷閾值光學(xué)元件，可帶來(lái)更小占地面積，超高功率，超短脈沖激光系統(tǒng)。其產(chǎn)生和保持強(qiáng)大光柵的能力可以為操縱、反射和壓縮超強(qiáng)激光脈沖提供重大進(jìn)展。