研究人员使用等离子体光学设计出紧凑型高功率激光器

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员设计了一种紧凑型多兆瓦激光器，该激光器使用等离子体传输光栅来克服传统固态光学光栅的功率限制。这种设计可以使超快激光器的功率比现有相同尺寸的激光器高出1000倍。

皮瓦（千万瓦）激光器依靠衍射光栅实现啁啾脉冲放大（CPA），这是一种拉伸、放大然后压缩高能激光脉冲以避免损坏光学元件的技术。CPA于2018年获得诺贝尔物理学奖，是国家点火设施先进射线照相能力的核心，也是NIF的前身Nova激光器的核心，Nova激光器是世界上第一台千兆瓦激光器。

捷克共和国的ELI波束线研究中心的L3 HAPLS

前LLNL博士后Matthew Edwards说：“等离子体光栅的损伤阈值比传统反射光栅高几个数量级，它允许我们为相同尺寸的光栅提供更多的功率”，他是论文的合著者，该论文描述了研究成果并于8月9日在线发表在《物理评论应用》上。

Edwards说：“用于强激光的玻璃聚焦光学器件必须很大，以避免损坏。激光能量被分散以保持局部强度较低。例如，由于等离子体比一块玻璃更好地抵抗光学损伤，我们可以想象制造出一台激光器，其功率是当前系统的数百倍或数千倍，而不会使系统变大。”

LLNL在开发高能激光系统方面拥有50年的经验，在设计和制造世界上最大的衍射光栅方面也一直处于领先地位，例如20世纪90年代用于在Nova激光器上产生500焦耳/瓦脉冲的金光栅。然而，下一代多皮瓦和埃瓦（1000皮瓦）激光器需要更大的光栅，以克服传统固体光学对最大通量（能量密度）的限制。

Edwards指出，由离子和自由电子的混合物等离子体制成的光学系统“非常适合于相对高重复率、高平均功率的激光器”。例如，新设计可以使激光系统在捷克共和国的ELI光束线上使用与L3 HAPLS（高重复率先进皮瓦激光系统）类似的尺寸，但峰值功率为100倍。

HAPLS由LLNL设计和制造，并于2017年交付给ELI光束线，设计用于在30飞秒（千分之四秒）脉冲持续时间内产生30焦耳的能量，等于1皮瓦，并在10赫兹（每秒10个脉冲）下产生。

现任斯坦福大学机械工程助理教授的Edwards说：“在相同的重复频率下，尝试构建峰值功率为100倍的HAPL，这是最适合的系统，光栅可以在非常高的重复频率下重新制作，因此我们认为这种设计可以实现10赫兹的工作。但是，它不适用于高平均功率连续波激光器。”

研究人员表示，虽然等离子体光学已成功应用于等离子体反射镜，但由于难以产生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中的应用受到限制。但他们的目标是使这种不均匀性对整个系统来说是一个尽可能小的问题。

基于对细胞内粒子(PIC)代码EPOCH的模拟，研究人员说：“我们希望这种方法能够提供某种程度的稳定性，这是其他基于等离子体的压缩机制所不能达到的，并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是稳健的，并最小化等离子体体积，使充分的均匀性切实可行。”

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，这种方法为下一代高功率激光器提供了一条可行的路径。

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