等离子体密度梯度中的激光脉冲压缩：探索EW（艾瓦）至ZW（泽瓦）激光的新进展
Min Sup Hur及其团队在最近的研究中采用了一种创新的激光脉冲压缩方法，利用激光脉冲通过具有梯度密度的等离子体来实现压缩激光脉冲。这项研究展示了如何在更小的尺寸和更高效率下实现激光脉冲压缩[1][2]。他们利用自主开发的粒子模拟代码cplPIC进行仿真，该代码采用了包括Boris移动器和Buneman–Villasenor电荷守恒方案在内的标准算法[7]。
实验结果显示，该团队成功地将25皮秒，4太瓦（大于100焦耳）的脉冲压缩至25飞秒，2拍瓦（约50焦耳），效率达到35%[5]。这一成果预示着使用毫米级等离子体光栅，可以实现几乎无能量损失的数百倍脉冲压缩，相比传统的啁啾脉冲放大（CPA）系统尺寸小得多[1][2]。
图1.一维PIC模拟的梯度等离子体中的脉冲压缩。
a，入射脉冲(红色)和反射脉冲的频闪视图(绿色到蓝色)。在等离子体密度曲线(灰色阴影)上，nl和nh分别是ωn(脉冲前端的最高频率)和ω(脉冲尾部的最低频率)的临界密度。
b，b、电场通过通过虚拟探针定位atx= 0.1 mm作为时间的函数。数据分为入射(红色)，压缩(蓝色)和拉曼反向散射(RBS，橙色，放大x10)。
c，c、压缩脉冲宽度。
d，d.入射(红色)、RBS(橙色，放大x10倍)和压缩(蓝色)脉冲的功率谱。
传统的CPA技术通过先拉伸脉冲以降低峰值功率，然后通过放大，最后通过色散元件（如光栅或棱镜）来压缩脉冲以补偿初始的啁啾。虽然CPA技术能有效增加脉冲强度，但其复杂的光学路径和大型光学组件使得系统体积较大。此外，CPA过程可能会引入一些脉冲畸变[1][2]。
除此之外，非线性光谱展宽技术也是一种常用的脉宽压缩方法。该方法通过在非线性介质中传播激光脉冲来增加其频谱宽度，然后通过色散元件（如棱镜或光栅）对展宽的脉冲进行时间压缩。这种方法可以实现极短的脉冲，但可能会伴随一定的脉冲畸变和能量损失。
图2.CPA的结构示意图[6]
等离子体密度梯度中的激光脉冲压缩方法并不是通过直接补偿色散来实现脉宽压缩的。这种方法的工作原理与传统的色散补偿技术（如啁啾脉冲放大（CPA）或非线性光谱展宽技术）有所不同。在等离子体密度梯度压缩方法中，激光脉冲在通过具有梯度密度的等离子体时被压缩。这种方法利用等离子体的特性来改变激光脉冲的时间结构，从而实现脉冲压缩。当激光脉冲传播通过等离子体时，其不同频率的部分因为等离子体的密度变化而经历不同的光学路径长度。这种效应导致脉冲在时间上被压缩，从而产生更短的脉冲。
图3.等离子体脉冲压缩的概念。基于密度梯度等离子体的激光脉冲压缩器，其中长时间、高能量、负频率啁啾的激光脉冲从密度渐增的过密等离子体板反射。脉冲前部的高频成分和脉冲后部的低频成分在不同位置反射，导致激光脉冲压缩。[7]
等离子体密度梯度压缩方法提供了一种与色散补偿不同的脉冲压缩机制，其主要优势在于可以在不需要复杂光学系统的情况下实现高效率的脉冲压缩，该技术显著减小了系统的物理尺寸。它还能在压缩过程中保持原始脉冲的频谱特性，有助于达到更高的功率[1][2][3][4][5]。特别适用于高功率激光应用。
总的来说，等离子体密度梯度压缩方法在体积、效率和脉冲品质保持方面具有明显优势，尤其适用于需要紧凑型高功率激光系统的应用。而传统CPA技术和非线性光谱展宽技术在特定的应用场景中仍然有其不可替代的价值。通过了解不同的脉冲压缩技术，我们可以根据特定的科学和工业需求，更好地选择合适的脉冲压缩方法。随着这些技术的不断发展和完善，也将进一步推动激光技术的边界，为未来的创新应用奠定基础！
参考文献
1. Wilson, T., Li, F., Weng, S., Chen, M., McKenna, P., & Sheng, Z. (2019). [Laser pulse compression towards collapse and beyond in plasma]Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics*.
2. Chang, J.-C., Chang, S., Wu, Y.-C., & Chang, C.-Y. (2021). [Fast and direct optical dispersion estimation for ultrafast laser pulse compression]The Review of scientific instruments*.
3. Balakin, A., Skobelev, S., Andrianov, A., Kalinin, N., & Litvak, A. (2019). [Laser pulse compression up to few-cycle durations in multicore fiber] *Optics Letters*.
4. Alessi, D., Nguyen, H. T., Britten, J., Rosso, P., & Haefner, C. (2018). [Low-dispersion low-loss dielectric gratings for efficient ultrafast laser pulse compression at high average powers]. *Optics & Laser Technology*.
5. Shi, Y., Qin, H., & Fisch, N. (2016). [Laser-pulse compression using magnetized plasmas]*Physical review. E*.
6. Backus S，Durfee C G，Murnane M M et al. Rev. of Sci. Instru., 1998，69：1207
7. Min Sup Hur, Bernhard Ersfeld, Hyojeong Lee, Hyunsuk Kim, Kyungmin Roh, Yunkyu Lee, Hyung Seon Song, Manoj Kumar, Samuel Yoffe, Dino A. Jaroszynski & Hyyong Suk
[Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers]Nature Photonics (2023)
