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微结构等离子体靶实现极高强度紧聚焦激光脉冲

点击次数：1192 发布时间：2026/2/4 18:19:43

研究背景

随着超短强激光技术的成熟，激光峰值功率已达到拍瓦量级，并正向艾瓦乃至泽瓦迈进。然而，传统固体光学元件固有的损伤阈值限制了其可操控的激光强度上限，使得许多依赖光强的前沿物理研究遭遇瓶颈。相比之下，等离子体作为一种光学介质，其损伤阈值比固体材料高出数个数量级，为操控相对论强度激光脉冲提供了机遇。近年来，等离子体光栅、等离子体镜、等离子体全息术等一系列等离子体光学元件相继被提出，展现出等离子体在调控激光波前、偏振与强度方面的巨大潜力。作为应用广泛的衍射光学元件之一，菲涅尔波带片自问世以来便持续受到广泛关注。其聚焦特性可用于光束整形，实现对发散光束的准直处理。在此背景下，研究团队创新性地将FZP的结构设计引入等离子体光学领域，设计出一种微结构等离子体FZP靶，成功实现了强度紧聚焦激光脉冲的产生。

研究创新点

该研究提出并系统验证了一种基于微结构等离子体FZP靶的激光聚焦方案。通过三维PIC模拟，详细分析了该方案的物理过程、靶的性能以及方案的鲁棒性。方案示意图如图1所示。

光斑尺寸为15 μm、归一化电场振幅a0 = 250的高斯激光脉冲正入射至透射式奇数型FZP（TO-FZP）靶上。该靶由电离的碳离子和氢离子构成，电子密度为250nc。图中黑色区域代表等离子体区，可阻挡入射光传播；白色区域代表真空区，激光脉冲可自由通过。通过对环带半径进行精密设计，使从相邻透明区出射的光到达焦点处的光程差恰好为激光波长，对应的相位差为2π，从而在焦点处发生相长干涉，实现高效聚焦。这种基于等离子体的衍射光学元件，有望突破传统光学材料的强度极限，实现对拍瓦乃至更高功率激光的聚焦。

图 1 方案示意图

模拟结果表明，相对论激光（强度约8.6×1022 W/cm²）与等离子体靶相互作用后，一部分激光穿过靶，另一部分则被反射。靶的特殊结构使得输出激光之间的相位差为2π的整数倍，从而在穿过FZP后形成干涉场。在后续传播过程中，透射激光逐渐聚焦，其峰值电场振幅增强至入射激光的约5倍，对应的峰值强度超过4.2×1024 W/cm²。同时，输出激光光斑尺寸被聚焦至0.73 μm，接近于0.61 μm的理论衍射极限。能量传输效率稳定在10%左右，对应的激光能量密度增强因子达到46。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射公式的理论预测的电场振幅大值与模拟结果高度吻合，验证了该聚焦机制的物理可行性。此外，通过将输出激光的电场振幅与拟合高斯曲线对比（图2（e）），可以看出输出激光保留了输入激光的波形特征。

图 2 (a) t = 24T0时刻(T0为激光周期)，输出激光横向电场Ey的三维等值面分布。左侧图为x = 16.45 µm处Ey在(y, z)平面上的投影。底部图为z = 0 µm处坡印廷矢量在(x, y)平面上的投影。背面图为y = 0 µm处激光强度在(x, z)平面上的投影。(b)-(d) t = 19T0、24T0和26T0时输出激光Ey的分布。(e) t = 24T0时输出激光Ey沿y轴（蓝）和z轴（红）的分布，黑色虚线表示使用相同电场值和焦点尺寸拟合得到的高斯曲线。(f) 激光脉冲的能量传输效率（η，黑）和输出与输入激光的强度比（I/I0，红）。(g) 输出激光强度在x = 16.45 µm和t = 24T0时的横截面分布。

此外，研究进一步探讨了反射式偶数型等离子体菲涅尔波带片（RE-FZP）的潜力。如图3（a）所示，该靶与图 3（d）中的透射式靶具有相同的环带数和横向尺寸，但其厚度显著增加。对于反射式靶，所有区域的透射率降为零，且奇数区和偶数区之间存在特定的厚度差。模拟结果显示，该反射式靶可将激光聚焦强度提升至1025 W/cm2以上，同时将能量传输效率提高至约15.4%。尽管反射式FZP能利用更多的入射激光能量，但可能在实验中带来激光信号探测与前置光学设备防护方面的挑战。

图 3 (a) 反射式偶数型菲涅尔波带片 (RE-FZP) 在(x, y)平面的构型。(b) RE- FZP相对应的输出激光的横向电场Ey在(x, y)平面上的分布。(c)与(b)相同，对应(y, z)平面。(d)-(f)与(a)-(c)相同，对应于透射式偶数型菲涅尔波带片(TE- FZP)。

图4汇总了多种基于激光等离子体相互作用的激光强度提升方案，其中星标表示本研究方案所取得的结果。该方案在百拍瓦级激光装置中展现出应用潜力。

图 4 不同激光聚焦和放大方案的比较。包括：微管等离子体透镜 (MTP)、相对等离子体孔径 (RPA)、周期性薄缝 (PTS)、等离子体区板 (PZP)、等离子体通道、等离子体镜、空心固体等离子体锥、中等密度等离子体 (MDP)、等离子体透镜、受激布里渊反向散射 (SBS)、以及我们提出的 TO-FZP 和 RE-FZP 方案。

结论

研究团队提出了一种新方案，利用强激光与微结构等离子体菲涅尔波带片靶的相互作用，产生接近衍射极限的高强度紧聚焦激光脉冲。三维粒子模拟结果显示，采用该微结构等离子体靶可将激光强度提升两个数量级，峰值强度超过1024 W/cm2，且输出激光的焦斑尺寸仅为输入尺寸的4.8%。该微结构等离子体靶对激光和靶参数均表现出较好的鲁棒性。研究还表明，采用反射式等离子体靶可进一步将激光强度提升至1025 W/cm2量级。这种微结构等离子体靶可应用于多个前沿领域，如真空双折射、QED 级联以及强场中光与物质相互作用的量子特性。

参考文献：中国光学期刊网

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