勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員設計了一種緊湊型多兆瓦激光器，該激光器使用等離子體傳輸光柵來克服傳統固態(tài)光學光柵的功率限制。這種設計可以使超快激光器的功率比現有相同尺寸的激光器高出1000倍。

皮瓦（千萬瓦）激光器依靠衍射光柵實現啁啾脈沖放大（CPA），這是一種拉伸、放大然后壓縮高能激光脈沖以避免損壞光學元件的技術。CPA于2018年獲得諾貝爾物理學獎，是國家點火設施先進射線照相能力的核心，也是NIF的前身Nova激光器的核心，Nova激光器是世界上第一臺千兆瓦激光器。

捷克共和國的ELI波束線研究中心的L3 HAPLS

前LLNL博士后Matthew Edwards說：“等離子體光柵的損傷閾值比傳統反射光柵高幾個數量級，它允許我們?yōu)橄嗤�尺寸的光柵提供更多的功率”，他是論文的合著者，該論文描述了研究成果并�?月9日在線發(fā)表在《物理評論應用》上。

Edwards說：“用于強激光的玻璃聚焦光學器件必須很大，以避免損壞。激光能量被分散以保持局部強度較低。例如，由于等離子體比一塊玻璃更好地抵抗光學損傷，我們可以想象制造出一臺激光器，其功率是當前系統的數百倍或數千倍，而不會使系統變大�！�

LLNL在開發(fā)高能激光系統方面擁有50年的經驗，在設計和制造世界上最大的衍射光柵方面也一直處于領先地位，例如20世紀90年代用于在Nova激光器上產生500焦耳/瓦脈沖的金光柵。然而，下一代多皮瓦和埃瓦（1000皮瓦）激光器需要更大的光柵，以克服傳統固體光學對最大通量（能量密度）的限制。

Edwards指出，由離子和自由電子的混合物等離子體制成的光學系統“非常適合于相對高重復率、高平均功率的激光器”。例如，新設計可以使激光系統在捷克共和國的ELI光束線上使用與L3 HAPLS（高重復率先進皮瓦激光系統）類似的尺寸，但峰值功率為100倍。

HAPLS由LLNL設計和制造，并于2017年交付給ELI光束線，設計用于在30飛秒（千分之四秒）脈沖持續(xù)時間內產生30焦耳的能量，等于1皮瓦，并在10赫茲（每秒10個脈沖）下產生。

現任斯坦福大學機械工程助理教授的Edwards說：“在相同的重復頻率下，嘗試構建峰值功率為100倍的HAPL，這是最適合的系統，光柵可以在非常高的重復頻率下重新制作，因此我們認為這種設計可以實現10赫茲的工作。但是，它不適用于高平均功率連續(xù)波激光器�！�

研究人員表示，雖然等離子體光學已成功應用于等離子體反射鏡，但由于難以產生足夠均勻的大等離子體以及非線性等離子體波動力學的復雜性，它們在高功率脈沖壓縮中的應用受到限制。但他們的目標是使這種不均勻性對整個系統來說是一個盡可能小的問題。

基于對細胞內粒子(PIC)代碼EPOCH的模擬，研究人員說：“我們希望這種方法能夠提供某種程度的穩(wěn)定性，這是其他基于等離子體的壓縮機制所不能達到的，并可能被證明在實踐中更可行。新設計只需要氣體作為初始介質，對等離子體條件的變化是穩(wěn)健的，并最小化等離子體體積，使充分的均勻性切實可行�！�

通過使用可實現的等離子體參數，避免固體密度等離子體和固體光學，這種方法為下一代高功率激光器提供了一條可行的路徑。

相關鏈接：https://phys.org/news/2022-08-compact-high-power-laser-plasma-optics.html