据中国激光杂志社网，于2023年11月29日报道， 啁啾脉冲放大 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 技术能够有效实现脉冲激光输出功率的成倍提升，是当前获得超强激光输出的不二法门。尽管目前已能够实现拍瓦量级超强激光输出，但人类对于CPA技术放大激光极限的探索却未曾停歇。来自韩国和英国的合作研究团队，通过理论模拟，提出并论证了基于非均匀等离子体的啁啾脉冲压缩方案，可实现高达225倍的压缩比例，由于等离子体无需考虑损伤阈值问题，该设计有望实现艾瓦，乃至泽瓦量级的峰值功率输出。
啁啾脉冲放大时代，激光功率的提升极限究竟在哪里？
作为近代光学领域内一颗闪亮的明星，啁啾脉冲放大技术实现了激光器输出功率提升的技术愿景，叩开了超强激光技术领域的发展大门，并成功建立起激光器同最前沿科学应用之间的联系。从最初的光纤放大，到后来的固体放大；从第一篇研究文章，到2018年诺贝尔物理学奖；从独立的小型实验室，再到由国家支持建设的大科学装置，CPA技术将激光器的应用拓展到前所未有的领域。当激光功率被拓展至艾瓦 (EW, 1 EW=1018 W) 量级时，宇宙诞生早期的极端物质条件便可被复现；而当其被进一步提升至泽瓦 (ZW, 1 ZW=1021 W) 量级时，有望研究黑洞中信息丢失的悖论。
从实现原理上说，CPA技术需要对激光脉冲进行展宽后压缩，以达到输出功率成倍提升的目标。在这一愿景的指导下，人类似乎看到了能够无限倍增激光器输出功率的可能性，而当激光输出功率突破拍瓦量级（与太阳辐射功率相当）大关之后，人们却遇到了前所未有的技术困境：在该功率下，压缩前脉冲已经具备了极大的单脉冲能量，因此需要对光斑进行一定程度的扩束，以减小其功率密度，而这就对压缩光栅的物理尺寸提出了要求，对拍瓦激光而言，压缩光栅的尺寸一般需要达到米级；进一步地，艾瓦甚至泽瓦脉冲需要用到百米乃至更大尺寸的光栅，这使得该类型激光器的制造成本，成为了一个难以想象的天文数字。
在上述技术背景下，如何以一种相对而言更加简单、经济、便捷的方式，获得超强脉冲输出？成为了学界、产业界共同关注的热门问题。近日，一支由韩国蔚山科学技术院、光州科学技术院以及英国斯特拉斯克莱德大学研究人员所组成的科研小组，在Min Sup Hur、Dino A. Jaroszynski以及Hyyong Suk 等人的领导下，通过理论模拟的方式，论证了等离子体压缩激光脉冲，使其实现EW，乃至ZW量级脉冲输出的可能性。由于具有较为明显的指导意义，该工作以“Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers”为题，发表于最新一期的Nature Photonics上。
等离子体压缩，迈向泽瓦量级超强激光的新途径
对于搭建EW量级及以上的超强激光而言，最关键的技术问题在于寻找损伤阈值足够高的压缩器件，而目前现有的材料很难达到这一层次。在这样的技术困局下，等离子体自然而然地引起了研究人员的注意——作为一种已被分离的物质状态，等离子体能够在根本上防止激光脉冲强电场的破坏，而它能够实现的最大损伤阈值，也比固体材料高出至少4个量级；这意味着，如果能够找到调控等离子体色散的方法，巨大的光栅将被相对更小的等离子体所取代，这也正是本工作的研究思路（如图3所示）。
该研究团队在论文中指出：即使没有周期性演化结构，但等离子体本质上仍是一种色散介质，通过设计不同的密度梯度，等离子体就能够实现对不同波段频率成分的色散补偿。研究人员通过粒子网格模拟（Particle-in-cell, PIC）研究了该过程。将虚拟探测位置放置在距离等离子体仅0.1 mm的位置，用于观测电场随时间变化的规律，进而反推得到入射及反射激光脉冲的状态。通过模拟，研究人员成功得到了2.35 ps脉冲压缩至10.3 fs的结果。被压缩后的脉冲，仍然保留了99.2%的入射能量，同时也保持了与入射时近似的对比度，相关结果如图4所示。
进一步地，研究人员还探究了热等离子体背向拉曼散射效应 (Raman backscatter, RBS) 对于输出脉冲的影响，结果如图5所示。研究人员指出，热等离子体更容易激发RBS效应，当RBS效应达到一定程度时，便会对入射脉冲的能量产生较大影响。实验结果也表明，由于RBS效应的存在，热等离子体会对脉冲传输效率产生负面作用。可通过提升等离子体密度梯度从而获得更高增益的方式来避免该效应的影响。
此外，研究人员还探索了入射激光光强、等离子体温度等因素对最终压缩状况的综合影响，得到的结果如图6所示。具有完整的指数衰减密度分布和密度截断的等离子体而言，压缩脉冲达到饱和状态所需要的光强存在差异。此外，该研究团队还在论文中指出，PIC模拟中得到的RBS效应，很有可能因为数值增强的热噪声而被高估，实际情况中或许会因如图5所示更高强度下出现的饱和状态而得到优化改善。
总结与展望
本文所介绍的工作，基于PIC模拟的手段，提出了一种利用密度梯度等离子体实现脉冲压缩的方法，验证了皮秒脉冲脉宽被压缩至单/少周期飞秒脉冲的可能性。结果表明，即使存在诸多不利条件，等离子体能够达到压缩比大于100的压缩效果。这项工作为提升超强激光的峰值功率提供了一种新的方式。
