英國和葡萄牙的研究人員在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上共同發(fā)表文章，提出等離子體中的拉曼放大是將皮秒激光脈沖壓縮到飛秒脈沖寬度、探索強度前沿科學的一種方法。本文中，研究人員表明拉曼放大首次成功用來壓縮納秒到皮秒脈沖寬度范圍內(nèi)的激光脈沖。模擬顯示泵浦脈沖高達60%的能量傳給了探測脈沖，意味著這種機制可以產(chǎn)生幾千焦耳的紫外拍瓦激光脈沖。這是證明慣性約束聚變快點火方案非常重要的結(jié)果。
慣性約束聚變(ICF)快點火方案的證明包括兩個階段：第一階段，將氘-氚燃料壓縮到高密度狀態(tài)；第二階段，在高度壓縮的燃料一側(cè)形成一個熱斑區(qū)域，這個區(qū)域可由一個皮秒的強激光脈沖產(chǎn)生的高能(1～3MeV)電子沉積獲得。為了得到應(yīng)用要求的電子束，即使依靠不同磁場準直的概念，也需要在16ps內(nèi)輸送40～100kJ的激光能量。因此，使用傳統(tǒng)的固體激光器很難產(chǎn)生1～10皮秒的高能拍瓦激光束。
以前拉曼放大的研究著重于得到強度前沿，它要求超短脈沖(飛秒量級)。本文展示了一種新的解析理論PIC(particle-in-cell)模擬，發(fā)現(xiàn)等離子體中的高能納秒脈沖的拉曼放大可以產(chǎn)生皮秒寬度、峰值能量為拍瓦量級的脈沖，轉(zhuǎn)換效率高達60%。這個機制很容易用ω0～3ω0的脈沖標度：只需調(diào)整等離子體的密度保持ω0/ωp不變，
其中ω0=2πc/λ0是激光的頻率，是等離子體頻率，λ0是激光波長，
n0是等離子體的電子密度。為在實驗室中實現(xiàn)慣性約束聚變快點火方案，這個機制提供了一種探究全部參數(shù)空間的新途徑。這項工作也打開了其他高能量密度物理研究應(yīng)用的廣闊領(lǐng)域，如：單頻KαX射線、高密度等離子體康普頓(Compton)X光線照相術(shù)等。
100 ps的長脈寬泵浦脈沖(波長為351 nm)經(jīng)過拉曼放大得到150fs、mm寬度、2PW的探測光。(a)初始和(b)在一個1.5 cm的等離子體柱狀區(qū)域經(jīng)過放大后最終得到的探測脈沖的強度輪廓。內(nèi)插圖給出的是放大脈沖(c)縱向和(d)橫向的中心輪廓
等離子體(特征頻率為ωp)中的拉曼放大過程描述如下：一個長脈寬的泵浦激光束(頻率為ω0，波數(shù)為k0)和一個反向傳播的短脈寬探測激光脈沖(頻率為ω0-ωp，波數(shù)為ωp/c-k0)通過一個由受激拉曼后向散射(RBS)產(chǎn)生的縱向等離子體波(頻率為ωp，波數(shù)為2k0-ωp/c)相互作用。這將導(dǎo)致長脈寬泵浦脈沖的大部分能量轉(zhuǎn)換給短脈寬探測脈沖。由于被放大的探測光脈沖寬度比泵浦光短1000倍，因此通過拉曼放大后得到的探測光的功率將比泵浦光大數(shù)百倍。
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