近日,上海交通大学物理与天文学院盛政明教授课题组提出基于同向传播的泵浦和种子激光脉冲,在等离子体中激发拉曼前向散射过程,从而实现种子光脉冲放大的高效方案:即拉曼前向放大(FRA)方案。在FRA方案中,满足拉曼前散相位匹配条件的泵浦光脉冲和种子光脉冲同向注入相应密度的等离子体。由于种子光波长显著大于泵浦光,因此二者在等离子体中传播时,拥有更大群速度的泵浦光会在空间上逐渐超越种子光。在这一过程中,双光拍频叠加有效激发电子等离子体波,通过三波耦合过程实现泵浦光能量往种子光的持续转移,使得后者得到动态光放大。放大后的种子光脉冲继续在等离子体中独立传播,并触发自相位调制,实现其脉宽的自压缩,光强进一步提升。基于以上物理图像(如图1所示),课题组构建了相应的FRA线性模型和非线性模型,并首次解析获得了等离子体光放大的解析增长率和定标关系。通过理论分析和数值模拟发现,在百微米空间尺度、亚皮秒时间尺度内,利用1.0微米泵浦激光,FRA可将1.8微米的种子光脉冲峰值光强放大104——105倍,脉宽压缩至准单周期量级。
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图1. 等离子体拉曼前散光放大示意图。
课题组通过系列数值模拟,验证了理论模型的准确性,证实FRA在高光强作用下的高效性,并基于等离子体密度的可调谐性实现不同波段种子光脉冲的有效放大。该研究同时也阐述了FRA的鲁棒性,包括等离子体温度效应、电离与碰撞效应、动理学效应、非均匀等离子体效应等物理因素。利用三维粒子模拟程序,进一步证实了FRA方案在实际几何构型下的可靠性,并论述通过采用毫米尺度光斑的种子光,FRA将具备拍瓦量级高功率、少周期、近红外光脉冲的输出能力。此外,只需适当增大激光光束的口径,该方案在理论上具备超越目前激光技术能达到的峰值功率极限的能力。相比传统非线性晶体光放大和他人提出的等离子体背散光放大方案,FRA具备空间紧凑、高效率、少周期、高信噪比、波长可调谐等特点,同时其双光脉冲同向传播的构型兼具实验方案简明、稳定性高、等离子体鲁棒性强等优势。该方案为近红外波段高功率少周期激光脉冲的产生提供了全新的路径,从而有望应用于从阿秒脉冲产生、新型粒子加速器、到极端强场物理等广泛的领域。
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图2. 一维和三维PIC数值模拟结果展示。(a) 一维PIC模拟给出的不同时刻光场的空间分布。(b) 输出放大后的种子光脉冲随时间的变化。(c) 输入与输出光场的频谱分析。(d) 三维PIC数值模拟给出放大过程中,种子光脉冲峰值光强随时间变化的三个阶段,其中黑色虚线为理论解析模型。
相关成果以"Towards the Generation of Petawatt Near-Infrared Few-Cycle Light Pulses via Forward Raman Amplification in Plasma"为题,发表在Physical Review Letters 134, 255001 (2025)。课题组博士生雷智宇为本文第一作者,盛政明教授为通讯作者。合作者包括该实验室翁苏明教授、陈民教授、张杰院士。该研究得到国家自然科学基金委和中国科学院先导专项的支持。
论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cshj-jgz7