牛津大学开发出单次捕获高强度激光脉冲技术

近日据外媒报道，牛津大学的物理学家公布了一项“开创性”方法，可在单次测量中完整捕获超强激光脉冲的全结构。该团队表示，这项与慕尼黑路德维希-马克西米利安大学及马克斯·普朗克量子光学研究所合作的突破，或将彻底改变光与物质相互作用的控制能力。

牛津大学在公告中称：“这一技术将在诸多领域产生变革性应用，包括新型物理学研究及实现聚变能源研究所需的极端强度。”该成果已发表于《自然·光子学》。

超强激光可在电场单次振荡周期内将电子加速至近光速，成为研究极端物理学的强大工具。然而其快速波动和复杂结构使得实时测量其特性极具挑战。此前现有技术通常需要数百次激光发射才能拼凑出完整图像，限制了科研人员捕捉这类极端光脉冲动态特性的能力。

艺术家绘制的RAVEN技术示意图：该技术通过微焦点阵列与光谱色散对复杂光脉冲进行测量，随后将数据输入神经网络进行重构解析
 

RAVEN：单次诊断技术
这项由牛津大学物理系与德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学研究人员共同领导的新研究，描述了一种名为RAVEN（实时矢量电磁近场采集）的新型单次诊断技术。该技术能让科学家以高精度测量单个超强激光脉冲的完整形态、时间序列及对准状态。

掌握激光脉冲行为的完整图像将推动多领域性能突破。例如，它能使科学家实时微调激光系统，弥合实验现实与理论模型间的鸿沟，为计算机模型和人工智能模拟提供更优质的数据。

光束分束测量法
该方法通过将激光束分成两部分运作：其中一部分用于测量激光波长随时间的变化，另一部分穿过双折射材料以分离不同偏振态的光。随后微透镜阵列会记录激光脉冲波前（即其形状和方向）的结构特征。

领衔研究员、牛津大学博士研究生Sunny Howard表示：“我们的方法能实时完整捕获超强激光脉冲，包括其偏振态和复杂内部结构。这不仅为激光-物质相互作用提供了前所未有的洞察，更为高功率激光系统的优化开辟了以往无法实现的路径。”

该技术已在德国ATLAS-3000拍瓦级激光器上成功测试，首次实时揭示了激光脉冲中此前无法测量的微小畸变和波阵面偏移，使研究团队能对设备进行精细调节。这类被称为时空耦合的畸变会显著影响高强度激光实验的性能。

a.光学装置将四维矢量场编码为二维强度测量（非比例显示）。准直光束被分束后，一部分用于测量光谱相位，其余部分通过双折射介质（BM）在偏振态之间产生相对光谱啁啾。随后微透镜阵列（MLA）对波前进行编码。产生的光斑图案由带有衍射光栅（DG）的4f成像系统采集——该光栅置于傅里叶平面附近实现光谱编码，传感器前端还配置有偏振滤光片阵列（PFA）；b.编码像素的提取与处理流程。在空间各点位同步恢复光谱与偏振信息，并附带不确定度评估；c.将编码器像素信息聚合为矢量近场分布；d.向焦平面传播的物理过程演示
 

通过提供实时反馈，RAVEN可实现即时调整，提升等离子体物理、粒子加速和高能量密度科学实验的精度与效率。由于无需多次发射即可完整表征激光脉冲特性，还能大幅节省时间。

该技术还为实验室实现惯性约束聚变能源装置提供了新路径——这是实现社会级聚变能源规模发电的关键门户步骤。惯性约束聚变能源装置利用超强激光脉冲在等离子体内产生高能粒子，这些粒子随后会传播至聚变燃料中。

论文合著者、牛津大学物理系Peter Norreys教授指出：“在现有方法大多需要数百次发射时，RAVEN仅需单次即可完成激光脉冲的完整时空表征。这不仅是激光诊断的强大新工具，更有潜力推动超强激光应用领域的全面进步，有望突破激光科学与技术的边界。”

展望未来，研究人员希望将RAVEN的应用扩展到更广泛的激光设施，并探索在优化惯性约束聚变能源研究、激光驱动粒子加速器及高场强量子电动力学实验中的潜力。