[论文解读] Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers

Min Sup Hur, Bernhard Ersfeld+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型激光脉冲压缩技术，利用具有纵向密度梯度的等离子体，实现艾瓦特至泽塔瓦激光的超短脉冲。通过利用等离子体斜坡中频率依赖的穿透深度，实现空间可变色散的负啁啾脉冲压缩，在一维PIC模拟中实现了从2.35 ps到10.3 fs的压缩（压缩比225），为传统啁啾脉冲放大组件提供了一种稳健的替代方案。

ABSTRACT

We propose a new method for laser pulse compression that uses the spatially varying dispersion of a plasma plume with a density gradient. This novel scheme can be used to compress ultrahigh power lasers. A long, negatively frequency-chirped, laser pulse reflects off the plasma ramp of an over-dense plasma. As the density increases longitudinally the high frequency photons at the leading part of the laser pulse propagates more deeply than low frequency photons, the pulse is compressed in a similar way to compression off a chirped mirror. Proof-of-principle simulations, using a one-dimensional (1-D) particle-in-cell (PIC) simulation code demonstrates the compression of 2.35 ps laser pulse to 10.3 fs, with a compression ratio of 225. As plasmas is robust and resistant to high intensities, unlike gratings in a chirped-pulse amplification (CPA) technique [1], the method could be used as a compressor to reach exawatt or zettawatt peak power lasers.

研究动机与目标

• 开发一种鲁棒且适用于高强度的超短激光脉冲压缩方法，突破传统光学器件的现有限制。
• 通过用基于等离子体的压缩器替代传统啁啾脉冲放大（CPA）系统中易损的介质光栅，克服其损伤阈值限制。
• 探索利用具有内在高强度耐受能力的基于等离子体的压缩方案，实现艾瓦特至泽塔瓦峰值功率激光的可行性。
• 通过粒子-网格（PIC）模拟，验证基于等离子体斜坡的空间可变色散实现脉冲压缩的原理。

提出的方法

• 采用一维粒子-网格（PIC）模拟，研究具有纵向密度梯度的超密度等离子体斜坡与激光脉冲的相互作用。
• 利用等离子体中较低密度区域的频率依赖相速特性，其中高频成分比低频成分穿透更深。
• 使用负啁啾激光脉冲（前缘波长较长），其在等离子体斜坡上反射，由于群速度差延迟导致时间压缩。
• 压缩源于等离子体色散的空间变化：随着脉冲从密度逐渐增加的区域反射，高频成分经历更短路径并具有更快的群速度。
• 等离子体斜坡的作用类似于啁啾镜，但无材料损伤限制，可在极端强度下实现压缩。
• 模拟设置建模了2.35 ps激光脉冲入射到具有线性密度梯度的等离子体，通过光谱范围内相位与群速度差异实现压缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有纵向密度梯度的等离子体能否通过空间可变色散实现超短激光脉冲压缩，且无材料损伤？
• RQ2 在1D PIC模拟中，该基于等离子体的方法可实现多大的压缩比和最终脉冲宽度？
• RQ3 等离子体斜坡中的频率依赖穿透深度如何导致负啁啾激光脉冲的时间压缩？
• RQ4 该方法能否作为CPA系统中用于实现艾瓦特至泽塔瓦峰值功率水平的介质光栅的可行替代方案？
• RQ5 当使用等离子体斜坡作为压缩器时，群速度色散在压缩过程中的作用是什么？

主要发现

• 该方法在1D PIC模拟中实现了225倍的压缩比，将2.35 ps的激光脉冲压缩至10.3 fs。
• 压缩由等离子体斜坡中的频率依赖穿透深度驱动，其中高频成分穿透更深并更早出现。
• 基于等离子体的压缩器对高强度具有鲁棒性，避免了传统CPA系统中使用的介质光栅的损伤限制。
• 模拟结果证实了利用等离子体斜坡作为超短、高功率激光脉冲时间压缩器的可行性。
• 该压缩机制类似于啁啾镜，但工作于等离子体介质中，为下一代艾瓦特和泽塔瓦激光系统提供了潜在应用可能。
• 该方法可实现无材料退化的压缩，适用于传统光学器件失效的极端强度应用场景。