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纳秒脉冲拉曼放大实现皮秒、千焦、拍瓦激光脉冲

2015-03-23 09:28
水墨黯月
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  英国和葡萄牙的研究人员在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上共同发表文章,提出等离子体中的拉曼放大是将皮秒激光脉冲压缩到飞秒脉冲宽度、探索强度前沿科学的一种方法。本文中,研究人员表明拉曼放大首次成功用来压缩纳秒到皮秒脉冲宽度范围内的激光脉冲。模拟显示泵浦脉冲高达60%的能量传给了探测脉冲,意味着这种机制可以产生几千焦耳的紫外拍瓦激光脉冲。这是证明惯性约束聚变快点火方案非常重要的结果。

  惯性约束聚变(ICF)快点火方案的证明包括两个阶段:第一阶段,将氘-氚燃料压缩到高密度状态;第二阶段,在高度压缩的燃料一侧形成一个热斑区域,这个区域可由一个皮秒的强激光脉冲产生的高能(1~3MeV)电子沉积获得。为了得到应用要求的电子束,即使依靠不同磁场准直的概念,也需要在16ps内输送40~100kJ的激光能量。因此,使用传统的固体激光器很难产生1~10皮秒的高能拍瓦激光束

  以前拉曼放大的研究着重于得到强度前沿,它要求超短脉冲(飞秒量级)。本文展示了一种新的解析理论PIC(particle-in-cell)模拟,发现等离子体中的高能纳秒脉冲的拉曼放大可以产生皮秒宽度、峰值能量为拍瓦量级的脉冲,转换效率高达60%。这个机制很容易用ω0~3ω0的脉冲标度:只需调整等离子体的密度保持ω0/ωp不变,

  其中ω0=2πc/λ0是激光的频率,是等离子体频率,λ0是激光波长,

  n0是等离子体的电子密度。为在实验室中实现惯性约束聚变快点火方案,这个机制提供了一种探究全部参数空间的新途径。这项工作也打开了其他高能量密度物理研究应用的广阔领域,如:单频KαX射线、高密度等离子体康普顿(Compton)X光线照相术等。

  100 ps的长脉宽泵浦脉冲(波长为351 nm)经过拉曼放大得到150fs、mm宽度、2PW的探测光。(a)初始和(b)在一个1.5 cm的等离子体柱状区域经过放大后最终得到的探测脉冲的强度轮廓。内插图给出的是放大脉冲(c)纵向和(d)横向的中心轮廓

  等离子体(特征频率为ωp)中的拉曼放大过程描述如下:一个长脉宽的泵浦激光束(频率为ω0,波数为k0)和一个反向传播的短脉宽探测激光脉冲(频率为ω0-ωp,波数为ωp/c-k0)通过一个由受激拉曼后向散射(RBS)产生的纵向等离子体波(频率为ωp,波数为2k0-ωp/c)相互作用。这将导致长脉宽泵浦脉冲的大部分能量转换给短脉宽探测脉冲。由于被放大的探测光脉冲宽度比泵浦光短1000倍,因此通过拉曼放大后得到的探测光的功率将比泵浦光大数百倍。

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