納秒脈衝拉曼放大實現皮秒、千焦、拍瓦雷射脈衝

2021-01-09 OFweek維科網

　　英國和葡萄牙的研究人員在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上共同發表文章，提出等離子體中的拉曼放大是將皮秒雷射脈衝壓縮到飛秒脈衝寬度、探索強度前沿科學的一種方法。本文中，研究人員表明拉曼放大首次成功用來壓縮納秒到皮秒脈衝寬度範圍內的雷射脈衝。模擬顯示泵浦脈衝高達60%的能量傳給了探測脈衝，意味著這種機制可以產生幾千焦耳的紫外拍瓦雷射脈衝。這是證明慣性約束聚變快點火方案非常重要的結果。

　　慣性約束聚變(ICF)快點火方案的證明包括兩個階段：第一階段，將氘-氚燃料壓縮到高密度狀態；第二階段，在高度壓縮的燃料一側形成一個熱斑區域，這個區域可由一個皮秒的強雷射脈衝產生的高能(1～3MeV)電子沉積獲得。為了得到應用要求的電子束，即使依靠不同磁場準直的概念，也需要在16ps內輸送40～100kJ的雷射能量。因此，使用傳統的固體雷射器很難產生1～10皮秒的高能拍瓦雷射束。

　　以前拉曼放大的研究著重於得到強度前沿，它要求超短脈衝(飛秒量級)。本文展示了一種新的解析理論PIC(particle-in-cell)模擬，發現等離子體中的高能納秒脈衝的拉曼放大可以產生皮秒寬度、峰值能量為拍瓦量級的脈衝，轉換效率高達60%。這個機制很容易用ω0～3ω0的脈衝標度：只需調整等離子體的密度保持ω0/ωp不變，

　　其中ω0=2πc/λ0是雷射的頻率，是等離子體頻率，λ0是雷射波長，

　　n0是等離子體的電子密度。為在實驗室中實現慣性約束聚變快點火方案，這個機制提供了一種探究全部參數空間的新途徑。這項工作也打開了其他高能量密度物理研究應用的廣闊領域，如：單頻KαX射線、高密度等離子體康普頓(Compton)X光線照相術等。

　　100 ps的長脈寬泵浦脈衝(波長為351 nm)經過拉曼放大得到150fs、mm寬度、2PW的探測光。(a)初始和(b)在一個1.5 cm的等離子體柱狀區域經過放大後最終得到的探測脈衝的強度輪廓。內插圖給出的是放大脈衝(c)縱向和(d)橫向的中心輪廓

　　等離子體(特徵頻率為ωp)中的拉曼放大過程描述如下：一個長脈寬的泵浦雷射束(頻率為ω0，波數為k0)和一個反向傳播的短脈寬探測雷射脈衝(頻率為ω0-ωp，波數為ωp/c-k0)通過一個由受激拉曼後向散射(RBS)產生的縱向等離子體波(頻率為ωp，波數為2k0-ωp/c)相互作用。這將導致長脈寬泵浦脈衝的大部分能量轉換給短脈寬探測脈衝。由於被放大的探測光脈衝寬度比泵浦光短1000倍，因此通過拉曼放大後得到的探測光的功率將比泵浦光大數百倍。

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