近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院激光等離子體教育部重點實驗室盛政明教授研究團(tuán)隊報道了在等離子體光學(xué)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。該工作提出利用兩束同向傳播的激光脈沖（即泵浦光和種子光）在等離子體中激發(fā)拉曼前向散射過程，在極小的時空尺度內(nèi)實現(xiàn)對近紅外種子光脈沖的高效光放大。該研究成果以“Towards the Generation of Petawatt Near-Infrared Few-Cycle Light Pulses via Forward Raman Amplification in Plasma”為題，于2025年6月26日在線發(fā)表于Physical Review Letters期刊。

研究背景

自1960年激光發(fā)明以來，特別是隨著1980年代Mourou和Strickland發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)與1990年代歐洲科學(xué)家發(fā)明了光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術(shù)，激光功率得到快速提升，被廣泛應(yīng)用于激光慣性約束聚變、新型粒子加速器、超快光學(xué)等領(lǐng)域。然而，受制于傳統(tǒng)光學(xué)放大手段中所采用的放大介質(zhì)主要為固體材料，進(jìn)一步提升激光光強(qiáng)面臨著晶體損傷閾值較低、熱效應(yīng)顯著、裝置體積龐大與成本昂貴等挑戰(zhàn)。同時，受制于晶體材料的制備，當(dāng)下高功率激光器波段主要集中在0.8微米與1.06微米。不同于通常光學(xué)放大介質(zhì)，等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，能承受更高的激光強(qiáng)度和能量。在過去的20年中，以等離子體為介質(zhì)實現(xiàn)激光放大的主流方案包括拉曼背向散射機(jī)制[Phys. Rev. Lett. 82, 4448 (1999)]與強(qiáng)耦合布里淵背向散射機(jī)制[Phys. Rev. Lett. 111, 055004 (2013)]。這些方案利用兩束相向傳播的泵浦光和種子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)種子光脈沖的放大。然而，以上光放大方案也面臨諸多問題，如等離子體條件苛刻、雙光對撞夾角限制、動理學(xué)效應(yīng)與其他等離子體不穩(wěn)定性等，從而影響實際放大效率；而且上述方案被放大的種子光脈沖的波長也局限在泵浦光附近。迄今為止，拉曼背向光放大方案在實驗上尚未突破0.1太瓦量級，相關(guān)的理論研究也有待進(jìn)一步發(fā)展。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(jī)制，特別是能夠突破波長限制、以及目前激光峰值功率的極限，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

研究創(chuàng)新點

研究團(tuán)隊首次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（Forward Raman Amplification, FRA)。該模型不同于已有的等離子體背散光放大方案中試圖抑制前散不穩(wěn)定性，而是將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉N子光放大的主要能量來源。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，擁有更大群速度的泵浦光會在空間上逐漸超越種子光。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。放大后的種子光脈沖繼續(xù)在等離子體中獨立傳播，并觸發(fā)自相位調(diào)制，實現(xiàn)其脈寬的自壓縮，光強(qiáng)進(jìn)一步提升?；谝陨衔锢韴D像（如圖1所示），研究團(tuán)隊構(gòu)建了相應(yīng)的FRA線性模型和非線性模型，并首次解析獲得了等離子體光放大的解析增長率和定標(biāo)關(guān)系。通過理論分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在百微米空間尺度、亞皮秒時間尺度內(nèi)，利用1.0微米泵浦激光，F(xiàn)RA可將1.8微米的種子光脈沖峰值光強(qiáng)放大104～105倍，脈寬壓縮至準(zhǔn)單周期量級。

圖1. 等離子體拉曼前散光放大示意圖。

團(tuán)隊通過系列數(shù)值模擬，驗證了理論模型的準(zhǔn)確性，證實FRA在高光強(qiáng)作用下的高效性，并基于等離子體密度的可調(diào)諧性實現(xiàn)不同波段種子光脈沖的有效放大。該研究同時也闡述了FRA的魯棒性，包括等離子體溫度效應(yīng)、電離與碰撞效應(yīng)、動理學(xué)效應(yīng)、非均勻等離子體效應(yīng)等物理因素。利用三維粒子模擬程序，團(tuán)隊進(jìn)一步證實了FRA方案在實際幾何構(gòu)型下的可靠性，并論述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。此外，只需適當(dāng)增大激光光束的口徑，該方案在理論上具備突破目前激光技術(shù)能達(dá)到的峰值功率極限的能力。

圖2. 一維和三維PIC數(shù)值模擬結(jié)果展示。(a) 一維PIC模擬給出的不同時刻光場的空間分布。(b) 輸出放大后的種子光脈沖隨時間的變化。(c) 輸入與輸出光場的頻譜分析。(d) 三維PIC數(shù)值模擬給出放大過程中，種子光脈沖峰值光強(qiáng)隨時間變化的三個階段，其中黑色虛線為理論解析模型。

總結(jié)與展望

通過構(gòu)建相應(yīng)的解析理論模型與數(shù)值模擬，該研究發(fā)展并驗證了FRA這一全新的等離子體光放大機(jī)制，實現(xiàn)在極小的時空尺度內(nèi)，將初始光強(qiáng)較弱的長波近紅外脈沖光強(qiáng)放大4～5個數(shù)量級，并將脈寬壓縮至準(zhǔn)單周期。相比傳統(tǒng)非線性晶體光放大和他人提出的等離子體背散光放大方案，F(xiàn)RA具備空間緊湊、高效率、少周期、高信噪比、波長可調(diào)諧等特點，同時其雙光脈沖同向傳播的構(gòu)型兼具實驗方案簡明、穩(wěn)定性高、等離子體魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢。該工作提出的等離子體拉曼前散光放大方案為近紅外波段高功率少周期激光脈沖的產(chǎn)生提供了全新的路徑，從而有望應(yīng)用于從阿秒脈沖產(chǎn)生、新型粒子加速器、到極端強(qiáng)場物理等廣泛的領(lǐng)域。

上海交通大學(xué)激光等離子體教育部重點實驗室博士生雷智宇為本文第一作者，盛政明教授為通訊作者。合作者包括該實驗室翁蘇明教授、陳民教授、張杰院士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委(12135009, 12225505, 12005287)和中國科學(xué)院(XDA25050100, XDA25010100)的支持。