实时技术单次测量极端激光脉冲

超强激光为探索光与物质相互作用和开发变革性应用，提供了独特机会。然而，这些极端激光脉冲的快速波动和复杂结构，使实时测量其特性具有挑战性。通常需要数百次激光发射才能测量超强光脉冲。

为开辟控制和操纵最高强度下光与物质相互作用的途径，牛津大学研究人员与慕尼黑大学、马克斯·普朗克量子光学研究所合作，开发了一种用于超强激光脉冲的单次矢量场测量技术。

艺术家绘制的RAVEN技术示意图：该技术通过微焦点阵列和光谱色散测量复杂光脉冲，随后将数据输入神经网络进行场重构

这项名为RAVEN（实时获取矢量电磁近场）的技术，提供了超强脉冲时空和偏振结构的全面视图，包括量化不确定性。它可加速多个领域的应用发展，包括高场物理、激光-物质相互作用和聚变能源。

RAVEN将超强激光束分成两部分。一部分用于测量激光波长随时间的变化。另一部分光束通过双折射材料，该材料可分离不同偏振态的光。

微透镜阵列记录激光脉冲波前的结构。光学传感器在单张图像中捕获这些信息，计算机程序据此重建激光脉冲的完整结构。

“由于超强脉冲在聚焦时被限制在如此微小的空间和时间里，这种诊断所需的分辨率存在基本限制，”研究员Andreas Döpp表示，“这改变了游戏规则，意味着我们可以使用微透镜，大大简化了装置。”

与以往单次测量方法不同，该诊断技术的开发基于对目标量的系统考量，因此可以保证在不确定范围内重建焦点处的场。

研究人员在从高重复率振荡器到拍瓦级激光器的系统上验证了RAVEN的有效性。在德国ATLAS-3000拍瓦级激光器上测试时，该技术发现了激光脉冲中先前无法实时测量的微小畸变和波移——这一发现让团队能够微调仪器。这些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。

由于其快速构建时间，RAVEN可在ATLAS-3000等重复率约1Hz的超强激光设施上进行在线测量和优化。

“我们的方法首次实现了对超强激光脉冲的实时完整捕获，包括其偏振态和复杂内部结构，”研究员Sunny Howard说，“这不仅为激光-物质相互作用提供了前所未有的见解，还为优化高功率激光系统开辟了先前不可能实现的途径。”

RAVEN有望在多领域带来性能提升。其实时全面脉冲表征能力可实现激光参数的在线优化，可能使等离子体物理、粒子加速和高能量密度科学实验更加精确。通过提供系统性能的关键数据（包括发射间波动和偏振信息），RAVEN可提升超强激光物理中计算模型和AI模拟的预测能力。

RAVEN的单次全矢量场表征能力可观测到先前无法检测的微妙效应和瞬态现象，这可能推动激光设计和控制的改进。RAVEN还显著节省时间，因为无需多次发射即可完整表征激光脉冲。

“现有大多数方法需要数百次发射，而RAVEN只需一次就能完成激光脉冲的完整时空表征，”Peter Norreys教授说，“这不仅提供了强大的激光诊断新工具，还有潜力加速超强激光应用的广泛进展，有望推动激光科学与技术的边界。”

RAVEN还可能推动实验室惯性聚变能源装置的探索——这是实现足以供民众使用的聚变能源的关键一步。惯性聚变能源装置使用超强激光脉冲在等离子体内产生高能粒子，这些粒子随后传播到聚变燃料中。优化聚变产额需要准确了解聚焦激光脉冲的靶向强度，而这可由RAVEN提供。

研究人员希望将RAVEN的应用扩展到更广泛的激光设施，并探索其在优化惯性聚变能源研究、激光驱动粒子加速器和高场量子电动力学实验方面的潜力。