Min Sup Hur及其團(tuán)隊(duì)在最近的研究中采用了一種創(chuàng)新的激光脈沖壓縮方法，利用激光脈沖通過具有梯度密度的等離子體來實(shí)現(xiàn)壓縮激光脈沖。這項(xiàng)研究展示了如何在更小的尺寸和更高效率下實(shí)現(xiàn)激光脈沖壓縮^[1][2]。他們利用自主開發(fā)的粒子模擬代碼cplPIC進(jìn)行仿真，該代碼采用了包括Boris移動(dòng)器和Buneman–Villasenor電荷守恒方案在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)算法^[7]。

 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該團(tuán)隊(duì)成功地將25皮秒，4太瓦（大于100焦耳）的脈沖壓縮至25飛秒，2拍瓦（約50焦耳），效率達(dá)到35%^[5]。這一成果預(yù)示著使用毫米級(jí)等離子體光柵，可以實(shí)現(xiàn)幾乎無能量損失的數(shù)百倍脈沖壓縮，相比傳統(tǒng)的啁啾脈沖放大（CPA）系統(tǒng)尺寸小得多^[1][2]。

圖1.一維PIC模擬的梯度等離子體中的脈沖壓縮。

a，入射脈沖(紅色)和反射脈沖的頻閃視圖(綠色到藍(lán)色)。在等離子體密度曲線(灰色陰影)上，n_l和n_h分別是ωn(脈沖前端的最高頻率)和ω(脈沖尾部的最低頻率)的臨界密度。

b，b、電場(chǎng)通過通過虛擬探針定位atx= 0.1 mm作為時(shí)間的函數(shù)。數(shù)據(jù)分為入射(紅色)，壓縮(藍(lán)色)和拉曼反向散射(RBS，橙色，放大x10)。

c，c、壓縮脈沖寬度。

d，d.入射(紅色)、RBS(橙色，放大x10倍)和壓縮(藍(lán)色)脈沖的功率譜。

 傳統(tǒng)的CPA技術(shù)通過先拉伸脈沖以降低峰值功率，然后通過放大，最后通過色散元件（如光柵或棱鏡）來壓縮脈沖以補(bǔ)償初始的啁啾。雖然CPA技術(shù)能有效增加脈沖強(qiáng)度，但其復(fù)雜的光學(xué)路徑和大型光學(xué)組件使得系統(tǒng)體積較大。此外，CPA過程可能會(huì)引入一些脈沖畸變^[1][2]。

 除此之外，非線性光譜展寬技術(shù)也是一種常用的脈寬壓縮方法。該方法通過在非線性介質(zhì)中傳播激光脈沖來增加其頻譜寬度，然后通過色散元件（如棱鏡或光柵）對(duì)展寬的脈沖進(jìn)行時(shí)間壓縮。這種方法可以實(shí)現(xiàn)極短的脈沖，但可能會(huì)伴隨一定的脈沖畸變和能量損失。

圖2.CPA的結(jié)構(gòu)示意圖^[6]

 等離子體密度梯度中的激光脈沖壓縮方法并不是通過直接補(bǔ)償色散來實(shí)現(xiàn)脈寬壓縮的。這種方法的工作原理與傳統(tǒng)的色散補(bǔ)償技術(shù)（如啁啾脈沖放大（CPA）或非線性光譜展寬技術(shù)）有所不同。在等離子體密度梯度壓縮方法中，激光脈沖在通過具有梯度密度的等離子體時(shí)被壓縮。這種方法利用等離子體的特性來改變激光脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。當(dāng)激光脈沖傳播通過等離子體時(shí)，其不同頻率的部分因?yàn)榈入x子體的密度變化而經(jīng)歷不同的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。這種效應(yīng)導(dǎo)致脈沖在時(shí)間上被壓縮，從而產(chǎn)生更短的脈沖。

圖3.等離子體脈沖壓縮的概念。基于密度梯度等離子體的激光脈沖壓縮器，其中長(zhǎng)時(shí)間、高能量、負(fù)頻率啁啾的激光脈沖從密度漸增的過密等離子體板反射。脈沖前部的高頻成分和脈沖后部的低頻成分在不同位置反射，導(dǎo)致激光脈沖壓縮。[7]

 等離子體密度梯度壓縮方法提供了一種與色散補(bǔ)償不同的脈沖壓縮機(jī)制，其主要優(yōu)勢(shì)在于可以在不需要復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)高效率的脈沖壓縮，該技術(shù)顯著減小了系統(tǒng)的物理尺寸。它還能在壓縮過程中保持原始脈沖的頻譜特性，有助于達(dá)到更高的功率^{[1][2][3][4][5]}。特別適用于高功率激光應(yīng)用。

 總的來說，等離子體密度梯度壓縮方法在體積、效率和脈沖品質(zhì)保持方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其適用于需要緊湊型高功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用。而傳統(tǒng)CPA技術(shù)和非線性光譜展寬技術(shù)在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中仍然有其不可替代的價(jià)值。通過了解不同的脈沖壓縮技術(shù)，我們可以根據(jù)特定的科學(xué)和工業(yè)需求，更好地選擇合適的脈沖壓縮方法。隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，也將進(jìn)一步推動(dòng)激光技術(shù)的邊界，為未來的創(chuàng)新應(yīng)用奠定基礎(chǔ)！

參考文獻(xiàn)

1. Wilson, T., Li, F., Weng, S., Chen, M., McKenna, P., & Sheng, Z. (2019). [Laser pulse compression towards collapse and beyond in plasma]Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics*.

2. Chang, J.-C., Chang, S., Wu, Y.-C., & Chang, C.-Y. (2021). [Fast and direct optical dispersion estimation for ultrafast laser pulse compression]The Review of scientific instruments*.

3. Balakin, A., Skobelev, S., Andrianov, A., Kalinin, N., & Litvak, A. (2019). [Laser pulse compression up to few-cycle durations in multicore fiber] *Optics Letters*.

4. Alessi, D., Nguyen, H. T., Britten, J., Rosso, P., & Haefner, C. (2018). [Low-dispersion low-loss dielectric gratings for efficient ultrafast laser pulse compression at high average powers]. *Optics & Laser Technology*.

5. Shi, Y., Qin, H., & Fisch, N. (2016). [Laser-pulse compression using magnetized plasmas]*Physical review. E*.

6. Backus S，Durfee C G，Murnane M M et al. Rev. of Sci. Instru., 1998，69：1207

7. Min Sup Hur, Bernhard Ersfeld, Hyojeong Lee, Hyunsuk Kim, Kyungmin Roh, Yunkyu Lee, Hyung Seon Song, Manoj Kumar, Samuel Yoffe, Dino A. Jaroszynski & Hyyong Suk

[Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers]Nature Photonics (2023)