自1985年Mourou和Strickland發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)以來，激光的峰值功率和聚焦強度已經(jīng)提升了7~8個數(shù)量級，由此開拓出一系列前沿物理課題和新技術(shù)。然而，目前光學(xué)放大系統(tǒng)中的各類光學(xué)元件（包括放大介質(zhì)、透射、反射、衍射元件等）主要以固體材料為主，進一步提升激光功率（特別是拍瓦以上的高功率裝置）面臨著光學(xué)元件損傷與顯著熱效應(yīng)等挑戰(zhàn)；為了避免破壞閾值，光學(xué)口徑和元件都必須做得非常龐大，這帶來一系列技術(shù)上的困難和高昂的成本，極大地制約了強激光科學(xué)和應(yīng)用的進一步發(fā)展。同時，受制于放大晶體的制備，當(dāng)下高功率激光器中心波長也主要集中在0.8 μm和1.06 μm附近，缺乏對任意波段光脈沖放大的自由調(diào)控能力。

不同于固體，等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，能承受更高的能量密度。在過去的20年中，基于等離子體實現(xiàn)激光放大的主流方案包括拉曼背向散射與強耦合布里淵背向散射。這些方案利用兩束相向傳播的激光在等離子體中對撞，通過激發(fā)相應(yīng)的等離子體波實現(xiàn)光脈沖的放大。然而，這兩種光放大方案面臨諸多內(nèi)在物理和實驗技術(shù)問題，從而影響實際放大效率。因此，探索更高效、更靈活、更具魯棒性的新型等離子體光放大機制，特別是能夠突破波長限制的方案，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

上海交通大學(xué)盛政明教授研究團隊提出基于同向傳播的泵浦和種子激光脈沖，在等離子體中激發(fā)拉曼前向散射過程，從而實現(xiàn)種子光脈沖放大的方案（FRA）。在FRA方案中，滿足拉曼前散相位匹配條件的泵浦光脈沖和種子光脈沖同向注入相應(yīng)密度的等離子體。由于種子光波長顯著大于泵浦光，因此二者在等離子體中傳播時，擁有更高群速度的泵浦光會逐漸超越種子光。在這一過程中，雙光拍頻疊加有效激發(fā)電子等離子體波，通過三波耦合過程實現(xiàn)泵浦光能量往種子光的持續(xù)轉(zhuǎn)移，使得后者得到動態(tài)光放大。最后，放大的種子光脈沖在等離子體中獨立傳播，其高光強會觸發(fā)自相位調(diào)制效應(yīng)，脈寬被壓縮至準(zhǔn)單周期，光強也進一步提升。上述完整過程如圖1所示，其中EPW為電子等離子體波。

圖1 等離子體中FRA方案示意圖

研究團隊通過系列數(shù)值模擬，重點研究了實際實驗條件下該方案的放大效果，包括分析非均勻等離子體密度分布、氣體電離、粒子碰撞、電子溫度等關(guān)鍵效應(yīng)的影響，如圖2所示。并利用二維粒子模擬程序進一步證實了FRA方案在實際幾何構(gòu)型下實現(xiàn)大尺度光斑放大的可靠性，論述了通過采用毫米尺度光斑的種子光，F(xiàn)RA將具備拍瓦量級高功率、少周期、近紅外光脈沖的輸出能力。

圖2 等離子體拉曼前散光放大數(shù)值模擬結(jié)果

同時，團隊基于理論模型給定了光放大的頻率參數(shù)區(qū)間，并提出實驗中可通過調(diào)節(jié)噴嘴氣壓和氣體介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效且低成本的等離子體密度調(diào)控，為光放大提供不同且可定制的介質(zhì)色散關(guān)系，從而支持不同波段光脈沖的放大，甚至實現(xiàn)級聯(lián)波長放大。這一特性是傳統(tǒng)非線性晶體無法實現(xiàn)的。此外，團隊從實驗實現(xiàn)與物理效應(yīng)兩方面，對FRA方案的局限性及應(yīng)對策略進行了分析，包括雙光同軸傳輸?shù)膶嶒炚{(diào)控方案、等離子體碰撞效應(yīng)帶來的能量損失、雙光時間同步偏差影響、激光脈沖載波包絡(luò)相位（CEP）穩(wěn)定性等物理效應(yīng)，并基于拉蓋爾-高斯光脈沖對比了當(dāng)下三種等離子體光放大方案。研究表明，等離子體不均勻性、氣體電離、電子溫度、大尺度光斑橫向成絲不穩(wěn)定性等潛在負(fù)面效應(yīng)，對該方案的影響十分有限。因此，相較于傳統(tǒng)非線性晶體光放大及其他等離子體背散光放大方案，F(xiàn)RA方案具備空間緊湊、功率高、周期少、信噪比高、波長可調(diào)諧等特點，且其雙光同向傳播構(gòu)型還兼具放大效率高、實驗方案簡潔、等離子體魯棒性強等優(yōu)勢。

團隊后續(xù)將開展等離子體光放大實驗等相關(guān)工作，驗證拉曼前散光放大機制，以及通過調(diào)節(jié)等離子體密度實現(xiàn)放大光脈沖的頻率調(diào)諧；此外，團隊也將繼續(xù)探索等離子體光放大中的相位失諧過程，從理論上突破失諧限制與現(xiàn)有單束激光器功率瓶頸，進而構(gòu)建更高效、更高魯棒性的小型化光放大方案，為強場量子電動力學(xué)等物理研究提供可行驗證平臺。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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