使用等离子光学设计紧凑型高功率激光器

近日据phys.org报道，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研究人员设计了一种紧凑型多拍瓦激光器，该激光器使用等离子传输光栅来克服传统固态光栅的功率限制。通过该设计可以制造出比现有相同尺寸激光器高出1000倍功率的超快激光器。

位于捷克ELI Beamline实验室里的L3 HAPLS

拍瓦（万亿瓦）激光器依靠衍射光栅进行啁啾脉冲放大，这是一种拉伸、放大然后压缩高能激光脉冲以避免损坏光学元件的技术。2018年，两位物理学家Gerard Mourou教授和Donna Stricklan教授，曾凭借在啁啾脉冲放大技术上的贡献获得了诺贝尔物理学奖。

“由于损伤阈值比传统反射光栅高出几个数量级，等离子光栅允许我们为相同尺寸的光栅提供更多的功率。”前LLNL博士后Matthew Edwards说，他是物理评论应用论文的合著者。Edwards与Laser-Plasma Interactions Group负责人Pierre Michel一起发表了该篇论文。

Edwards补充说：“用于强激光的玻璃聚焦光学器件必须很大，以避免损坏。激光能量被分散以保持局部强度较低。例如，由于等离子体比一块玻璃更好地抵抗光学损伤，我们可以想象制造出一台激光器，其功率是当前系统的数百倍或数千倍，而不会增大系统的尺寸。”

LLNL在开发高能激光系统方面拥有50年的经验，在设计和制造世界上最大的衍射光栅方面也一直处于领先地位。例如20世纪90年代用于在Nova激光器上产生500焦耳/瓦脉冲的金光栅。然而，下一代多皮瓦和埃瓦（1000皮瓦）激光器需要更大的光栅，以克服传统固体光学对最大通量（能量密度）的限制。

Edwards指出，由离子和自由电子混合而成的等离子体制成的光学器件非常适合相对高重复率、高平均功率的激光器。例如，新设计可以使整个激光系统在尺寸上与捷克ELI Beamlines实验室里的L3 HAPLS（高重复率先进拍瓦激光系统）相似，但峰值功率是后者的100倍。

HAPLS由LLNL设计和制造，并于2017年交付给ELI Beamlines实验室，设计用于在30飞秒（千分之四秒）脉冲持续时间内产生30焦耳的能量，等于1皮瓦并在10赫兹（每秒10个脉冲）下产生。“如果你想象一下，在相同的重复频率下，尝试构建峰值功率为100倍的HAPL，这是最适合的系统。”现任斯坦福大学机械工程系助理教授Edwards谈到。

“光栅可以在非常高的重复频率下重新制作，因此我们认为这种设计可以实现10赫兹的工作。但是，它不适用于高平均功率连续波激光器。”他进一步指出。研究人员表示，虽然等离子光学器件已成功用于等离子反射镜，但由于难以产生足够均匀的大等离子以及非线性等离子波动力学的复杂性，它们在高功率脉冲压缩方面的应用仍受了限制。

Edwards说：“事实证明，让等离子体做你想做的事情是很困难的。我们的目标是使这种不均匀性对整个系统来说是一个尽可能小的问题。这种设计应该对使用的等离子体中的缺陷非常宽容。”

研究人员表示，基于使用细胞内粒子(PIC)代码 EPOCH进行的模拟，希望这种方法能够提供其他基于等离子体的压缩机制无法达到的稳定性，并且证明可以在实践中建立。新设计仅需要气体作为初始介质，对等离子体条件的变化具有鲁棒性，并最大限度地减少等离子体体积以实现足够的均匀性。

通过使用可实现的等离子体参数并避免使用固体密度等离子体和固态光学，这种方法为下一代高功率激光器提供了一条可行的途径。