微結(jié)構(gòu)等離子體靶實現(xiàn)高強(qiáng)度緊聚焦激光脈沖

更新時間：2026-02-04

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研究背景

隨著超短強(qiáng)激光技術(shù)的成熟，激光峰值功率已達(dá)到拍瓦量級，并正向艾瓦乃至澤瓦邁進(jìn)。然而，傳統(tǒng)固體光學(xué)元件固有的損傷閾值限制了其可操控的激光強(qiáng)度上限，使得許多依賴光強(qiáng)的前沿物理研究遭遇瓶頸。相比之下，等離子體作為一種光學(xué)介質(zhì)，其損傷閾值比固體材料高出數(shù)個數(shù)量級，為操控相對論強(qiáng)度激光脈沖提供了機(jī)遇。近年來，等離子體光柵、等離子體鏡、等離子體全息術(shù)等一系列等離子體光學(xué)元件相繼被提出，展現(xiàn)出等離子體在調(diào)控激光波前、偏振與強(qiáng)度方面的巨大潛力。作為應(yīng)用廣泛的衍射光學(xué)元件之一，菲涅爾波帶片自問世以來便持續(xù)受到廣泛關(guān)注。其聚焦特性可用于光束整形，實現(xiàn)對發(fā)散光束的準(zhǔn)直處理。在此背景下，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地將FZP的結(jié)構(gòu)設(shè)計引入等離子體光學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計出一種微結(jié)構(gòu)等離子體FZP靶，成功實現(xiàn)了強(qiáng)度緊聚焦激光脈沖的產(chǎn)生。

研究創(chuàng)新點

該研究提出并系統(tǒng)驗證了一種基于微結(jié)構(gòu)等離子體FZP靶的激光聚焦方案。通過三維PIC模擬，詳細(xì)分析了該方案的物理過程、靶的性能以及方案的魯棒性。方案示意圖如圖1所示。

光斑尺寸為15 μm、歸一化電場振幅a0 = 250的高斯激光脈沖正入射至透射式奇數(shù)型FZP（TO-FZP）靶上。該靶由電離的碳離子和氫離子構(gòu)成，電子密度為250nc。圖中黑色區(qū)域代表等離子體區(qū)，可阻擋入射光傳播；白色區(qū)域代表真空區(qū)，激光脈沖可自由通過。通過對環(huán)帶半徑進(jìn)行精密設(shè)計，使從相鄰?fù)该鲄^(qū)出射的光到達(dá)焦點處的光程差恰好為激光波長，對應(yīng)的相位差為2π，從而在焦點處發(fā)生相長干涉，實現(xiàn)高效聚焦。這種基于等離子體的衍射光學(xué)元件，有望突破傳統(tǒng)光學(xué)材料的強(qiáng)度極限，實現(xiàn)對拍瓦乃至更高功率激光的聚焦。

圖 1 方案示意圖

模擬結(jié)果表明，相對論激光（強(qiáng)度約8.6×1022 W/cm2）與等離子體靶相互作用后，一部分激光穿過靶，另一部分則被反射。靶的特殊結(jié)構(gòu)使得輸出激光之間的相位差為2π的整數(shù)倍，從而在穿過FZP后形成干涉場。在后續(xù)傳播過程中，透射激光逐漸聚焦，其峰值電場振幅增強(qiáng)至入射激光的約5倍，對應(yīng)的峰值強(qiáng)度超過4.2×1024 W/cm2。同時，輸出激光光斑尺寸被聚焦至0.73 μm，接近于0.61 μm的理論衍射極限。能量傳輸效率穩(wěn)定在10%左右，對應(yīng)的激光能量密度增強(qiáng)因子達(dá)到46。基于菲涅爾-基爾霍夫衍射公式的理論預(yù)測的電場振幅大值與模擬結(jié)果高度吻合，驗證了該聚焦機(jī)制的物理可行性。此外，通過將輸出激光的電場振幅與擬合高斯曲線對比（圖2（e）），可以看出輸出激光保留了輸入激光的波形特征。

圖 2 (a) t = 24T0時刻(T0為激光周期)，輸出激光橫向電場Ey的三維等值面分布。左側(cè)圖為x = 16.45 µm處Ey在(y, z)平面上的投影。底部圖為z = 0 µm處坡印廷矢量在(x, y)平面上的投影。背面圖為y = 0 µm處激光強(qiáng)度在(x, z)平面上的投影。(b)-(d) t = 19T0、24T0和26T0時輸出激光Ey的分布。(e) t = 24T0時輸出激光Ey沿y軸（藍(lán)）和z軸（紅）的分布，黑色虛線表示使用相同電場值和焦點尺寸擬合得到的高斯曲線。(f) 激光脈沖的能量傳輸效率（η，黑）和輸出與輸入激光的強(qiáng)度比（I/I0，紅）。(g) 輸出激光強(qiáng)度在x = 16.45 µm和t = 24T0時的橫截面分布。

此外，研究進(jìn)一步探討了反射式偶數(shù)型等離子體菲涅爾波帶片（RE-FZP）的潛力。如圖3（a）所示，該靶與圖 3（d）中的透射式靶具有相同的環(huán)帶數(shù)和橫向尺寸，但其厚度顯著增加。對于反射式靶，所有區(qū)域的透射率降為零，且奇數(shù)區(qū)和偶數(shù)區(qū)之間存在特定的厚度差。模擬結(jié)果顯示，該反射式靶可將激光聚焦強(qiáng)度提升至1025 W/cm2以上，同時將能量傳輸效率提高至約15.4%。盡管反射式FZP能利用更多的入射激光能量，但可能在實驗中帶來激光信號探測與前置光學(xué)設(shè)備防護(hù)方面的挑戰(zhàn)。

圖 3 (a) 反射式偶數(shù)型菲涅爾波帶片 (RE-FZP) 在(x, y)平面的構(gòu)型。(b) RE- FZP相對應(yīng)的輸出激光的橫向電場Ey在(x, y)平面上的分布。(c)與(b)相同，對應(yīng)(y, z)平面。(d)-(f)與(a)-(c)相同，對應(yīng)于透射式偶數(shù)型菲涅爾波帶片(TE- FZP)。

圖4匯總了多種基于激光等離子體相互作用的激光強(qiáng)度提升方案，其中星標(biāo)表示本研究方案所取得的結(jié)果。該方案在百拍瓦級激光裝置中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

圖 4 不同激光聚焦和放大方案的比較。包括：微管等離子體透鏡 (MTP)、相對等離子體孔徑 (RPA)、周期性薄縫 (PTS)、等離子體區(qū)板 (PZP)、等離子體通道、等離子體鏡、空心固體等離子體錐、中等密度等離子體 (MDP)、等離子體透鏡、受激布里淵反向散射 (SBS)、以及我們提出的 TO-FZP 和 RE-FZP 方案。

結(jié)論

研究團(tuán)隊提出了一種新方案，利用強(qiáng)激光與微結(jié)構(gòu)等離子體菲涅爾波帶片靶的相互作用，產(chǎn)生接近衍射極限的高強(qiáng)度緊聚焦激光脈沖。三維粒子模擬結(jié)果顯示，采用該微結(jié)構(gòu)等離子體靶可將激光強(qiáng)度提升兩個數(shù)量級，峰值強(qiáng)度超過1024 W/cm2，且輸出激光的焦斑尺寸僅為輸入尺寸的4.8%。該微結(jié)構(gòu)等離子體靶對激光和靶參數(shù)均表現(xiàn)出較好的魯棒性。研究還表明，采用反射式等離子體靶可進(jìn)一步將激光強(qiáng)度提升至1025 W/cm2量級。這種微結(jié)構(gòu)等離子體靶可應(yīng)用于多個前沿領(lǐng)域，如真空雙折射、QED 級聯(lián)以及強(qiáng)場中光與物質(zhì)相互作用的量子特性。

參考文獻(xiàn)：中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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