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劳伦斯利弗莫尔国家实验室（以下简称LLNL，美国著名国家实验室之一）的研究人员设计了一种小型多拍瓦激光器，它利用等离子体传输光栅来克服传统固态光栅的功率限制。与同体积的激光器相比，基于该设计的超快激光器功率高了1000倍。
图1 捷克共和国ELI Beamlines的L3 HAPLS激光器（图片来源：ELI Beamlines）
拍瓦（1拍瓦=1015瓦）激光器依靠衍射光栅实现啁啾脉冲放大（CPA），这是一种拉伸、放大和压缩高能激光脉冲以避免损坏光学元件的技术，该技术于2018年获得诺贝尔物理学奖。此外，CPA是国家点火装置技术中，高级射线照相能力（NIF-ARC）的前身，也是世界上第一台帕瓦级激光器——新星（雷射）的核心。
等离子体光栅的损伤阈值比传统的反射光栅高几个数量级，等离子体光栅“允许我们为同样大小的光栅提供更多的能量，”LLNL博士后（已出站）Matthew Edwards说。该研究工作于8月9日发表在期刊《Physical Review Applied》上，Matthew Edwards与激光-等离子体相互作用组组长Pierre Michel为共同第一作者。
Edwards说：“用于强激光器的玻璃聚焦光学元件必须很大，以避免？。激光能量被分散，保持局域低强度。例如，由于等离子体比玻璃片更能抵抗光学损伤，我们可以想象建造一个激光器，在不增大系统的前提下，输出能量是电流系统的数百甚至数千倍。”
对于开发高能激光系统，LLNL具有50年的经验，并且在设计以及制造世界上最大的衍射光栅方便，一直处于领先地位，例如20世纪90年代在新型激光器上用于产生500焦耳拍瓦脉冲的金光栅。然而，为了克服传统固体光学对最大通量（能量密度）的限制，下一代多拍瓦和exawatt瓦（= 1000拍瓦）对光栅的需求在于体积更大。（参见“Holographic Plasma Lenses for Ultra-High-Power Lasers”）
Edwards指出，等离子体由离子和自由电子混合构成，这种光学器件“非常适合相对高重复率、高平均功率的激光器。”例如，基于等离子体，捷克共和国ELI Beamlines建立一个与L3 HAPLS（高重复率高级拍瓦激光系统）大小相似的激光系统，但其功率是峰值的100倍。
由LLNL设计和建造，并于2017年交付给ELI Beamlines公司，HAPLS的设计目标是在30飞秒（千万亿分之一秒）的脉冲持续时间内产生30焦耳的能量，这相当于一个拍瓦，并以10 Hz（每秒10个脉冲）完成。
现任斯坦福大学机械工程系助理教授Edwards表示：“如果你想象一下，在同样的重复率下，用100倍峰值功率建造HAPLS，这种系统将是最合适的。”
光栅可以以非常高的重复频率重新制作，所以我们认为10赫兹的操作在这种设计下是可以实现的。然而，它不适用于高平均功率的连续波激光器。
该团队称，虽然等离子体光学已经成功地应用于等离子体反射镜，但由于难以制造足够均匀的大等离子体以及非线性等离子体波动力学的复杂性，它们在高功率脉冲压缩方面的应用收到了很大的限制。
Edwards说：“事实证明，要让等离子体做你想让他们做的事情是很困难的，很难使他们足够均匀，温度和密度梯度足够小。”
基于胞中粒子法（PIC）的EPOCH代码模拟，该团队称：“我们期望这种方法能够提供一定程度的稳定性，这是其他基于等离子体的压缩机制所无法达到的，并且可能被证明在实践中更可行。”新设计“只需要气体作为初始介质，对等离子体条件的变化具有很强的鲁棒性，并且使等离子体体积最小化以保证均匀性达到使用要求。”
“通过使用可实现的等离子体参数，避免固体密度等离子体和固体光学，该方法为下一代高功率激光器提供了一个发展方向。”
新闻链接：
https://phys.org/news/2022-08-compact-high-power-laser-plasma-optics.html
