自1985年Mourou和Strickland發明啁啾脈沖放大技術以來，激光的峰值功率和聚焦強度已經提升了7~8個數量級，由此開拓出一系列前沿物理課題和新技術。然而，目前光學放大系統中的各類光學元件（包括放大介質、透射、反射、衍射元件等）主要以固體材料為主，進一步提升激光功率（特別是拍瓦以上的高功率裝置）面臨著光學元件損傷與顯著熱效應等挑戰；為了避免破壞閾值，光學口徑和元件都必須做得非常龐大，這帶來一系列技術上的困難和高昂的成本，極大地制約了強激光科學和應用的進一步發展。同時，受制于放大晶體的制備，當下高功率激光器中心波長也主要集中在0.8 μm和1.06 μm附近，缺乏對任意波段光脈沖放大的自由調控能力。

不同于固體，等離子體作為物質的第四態，能承受更高的能量密度。在過去的20年中，基于等離子體實現激光放大的主流方案包括拉曼背向散射與強耦合布里淵背向散射。這些方案利用兩束相向傳播的激光在等離子體中對撞，通過激發相應的等離子體波實現光脈沖的放大。然而，這兩種光放大方案面臨諸多內在物理和實驗技術問題，從而影響實際放大效率。因此，探索更高效、更靈活、更具魯棒性的新型等離子體光放大機制，特別是能夠突破波長限制的方案，成為該領域亟待解決的關鍵挑戰。

上海交通大學盛政明教授研究團隊提出基于同向傳播的泵浦和種子激光脈沖，在等離子體中激發拉曼前向散射過程，從而實現種子光脈沖放大的方案（FRA）。在FRA方案中，滿足拉曼前散相位匹配條件的泵浦光脈沖和種子光脈沖同向注入相應密度的等離子體。由于種子光波長顯著大于泵浦光，因此二者在等離子體中傳播時，擁有更高群速度的泵浦光會逐漸超越種子光。在這一過程中，雙光拍頻疊加有效激發電子等離子體波，通過三波耦合過程實現泵浦光能量往種子光的持續轉移，使得后者得到動態光放大。最后，放大的種子光脈沖在等離子體中獨立傳播，其高光強會觸發自相位調制效應，脈寬被壓縮至準單周期，光強也進一步提升。上述完整過程如圖1所示，其中EPW為電子等離子體波。

圖1 等離子體中FRA方案示意圖

研究團隊通過系列數值模擬，重點研究了實際實驗條件下該方案的放大效果，包括分析非均勻等離子體密度分布、氣體電離、粒子碰撞、電子溫度等關鍵效應的影響，如圖2所示。并利用二維粒子模擬程序進一步證實了FRA方案在實際幾何構型下實現大尺度光斑放大的可靠性，論述了通過采用毫米尺度光斑的種子光，FRA將具備拍瓦量級高功率、少周期、近紅外光脈沖的輸出能力。

圖2 等離子體拉曼前散光放大數值模擬結果

同時，團隊基于理論模型給定了光放大的頻率參數區間，并提出實驗中可通過調節噴嘴氣壓和氣體介質，能夠實現高效且低成本的等離子體密度調控，為光放大提供不同且可定制的介質色散關系，從而支持不同波段光脈沖的放大，甚至實現級聯波長放大。這一特性是傳統非線性晶體無法實現的。此外，團隊從實驗實現與物理效應兩方面，對FRA方案的局限性及應對策略進行了分析，包括雙光同軸傳輸的實驗調控方案、等離子體碰撞效應帶來的能量損失、雙光時間同步偏差影響、激光脈沖載波包絡相位（CEP）穩定性等物理效應，并基于拉蓋爾-高斯光脈沖對比了當下三種等離子體光放大方案。研究表明，等離子體不均勻性、氣體電離、電子溫度、大尺度光斑橫向成絲不穩定性等潛在負面效應，對該方案的影響十分有限。因此，相較于傳統非線性晶體光放大及其他等離子體背散光放大方案，FRA方案具備空間緊湊、功率高、周期少、信噪比高、波長可調諧等特點，且其雙光同向傳播構型還兼具放大效率高、實驗方案簡潔、等離子體魯棒性強等優勢。

團隊后續將開展等離子體光放大實驗等相關工作，驗證拉曼前散光放大機制，以及通過調節等離子體密度實現放大光脈沖的頻率調諧；此外，團隊也將繼續探索等離子體光放大中的相位失諧過程，從理論上突破失諧限制與現有單束激光器功率瓶頸，進而構建更高效、更高魯棒性的小型化光放大方案，為強場量子電動力學等物理研究提供可行驗證平臺。

參考文獻： 中國光學期刊網

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