全息圖是由反射物體或照片的干涉光束產(chǎn)生的三維(3D)圖像。近年來，它們被用于各種場合，例如加強(qiáng)員工培訓(xùn)或創(chuàng)作更吸引人的藝術(shù)作品。

全息等離子體透鏡及其產(chǎn)生的激光焦點(diǎn)(藍(lán)色)的圖示。來源:Edwards等人。

Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校和普林斯頓大學(xué)的研究人員最近使用全息術(shù)設(shè)計(jì)了一種由等離子體制成的新型透鏡。發(fā)表在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的一篇論文介紹了這種透鏡，它可以使更先進(jìn)的激光和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展成為可能。

“我們對等離子體透鏡的研究來自于對等離子體光學(xué)的更大努力，我們一直試圖用等離子體設(shè)計(jì)和制造光學(xué)組件，而不是用更傳統(tǒng)的材料，比如玻璃?！边M(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Matthew Edwards說，“等離子體是一種有用的光學(xué)材料，因?yàn)樗梢猿惺鼙热魏喂腆w材料高得多的光強(qiáng)，因此我們可以使用等離子體光學(xué)來建造緊湊型超高功率激光器?！?/p>

全息等離子體透鏡的示意圖。

Edwards和他的同事在他們的論文中描述的衍射透鏡是基于等離子體衍射光柵的改進(jìn)版本，這是一種著名的物理工具，用于分離入射光中的顏色。因此，在準(zhǔn)備他們的設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員利用了他們在之前的光柵實(shí)驗(yàn)中獲得的知識和發(fā)現(xiàn)。

從本質(zhì)上說，這種新型全息等離子體透鏡利用光通過等離子體時(shí)發(fā)生的相移來產(chǎn)生相帶板。這本質(zhì)上是一種光學(xué)，在這種光學(xué)中，光的建設(shè)性和破壞性干涉在透鏡后產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)度的焦點(diǎn)斑。

計(jì)算(3D PPS)厚等離子體透鏡，顯示準(zhǔn)直(a)和聚焦(b)取決于初始探針聚焦位置。

Edwards說:“等離子體是由一對較弱的泵浦激光器之間的干涉產(chǎn)生和修正的。衍射透鏡的優(yōu)點(diǎn)是它對等離子體密度的缺陷有彈性。等離子體很難控制，所以這種魯棒性很重要。”

Edwards 和他的同事設(shè)計(jì)的透鏡是基于兩個(gè)共線泵浦激光器，在氣體射流中有不同的焦點(diǎn)重疊。因?yàn)槭堑入x子體，所以可以承受很高的光強(qiáng)度，比玻璃鏡片或其他非電離固體材料鏡片的光強(qiáng)度高出1000到100萬倍。

在他們的論文中，研究人員概述了衍射等離子體透鏡的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則。此外，他們還提出了支撐等離子體功能的兩種等離子體機(jī)制的模擬結(jié)果，即空間變化的電離和質(zhì)量驅(qū)動的離子密度波動。

利用三維非線性包絡(luò)方程求解器[(a)，(b)]和三維PIC模擬[(c)，(d)]模擬由SVI [(a)，(b)]和離子波動[(c)，(d)]形成的厚等離子體透鏡的聚焦。

Edwards 和他的同事是第一批基于實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)的等離子體特性設(shè)計(jì)透鏡的人。到目前為止，這種透鏡還只是在理論上設(shè)計(jì)和模擬，但很快就能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

Edwards 說:“實(shí)驗(yàn)證明這種透鏡所需的參數(shù)與我們用等離子衍射光柵獲得的參數(shù)相似?！?/p>

等離子體光學(xué)已經(jīng)被證明是一種非常有前途的工具，因?yàn)樗鼈兛箵p傷，可以用來操縱高強(qiáng)度的光。在未來，Edwards 創(chuàng)造的透鏡和其他類似的光學(xué)元件可以用于制造高性能、高功率的等離子體激光器。

Edwards 說:“這種類型的光學(xué)器件有可能創(chuàng)造出峰值功率遠(yuǎn)高于目前所能制造的激光器，為探索高強(qiáng)度物理學(xué)開辟新的領(lǐng)域。我們現(xiàn)在正致力于在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造一個(gè)等離子體透鏡，使我們能夠通過實(shí)驗(yàn)來檢查這種光學(xué)的性能和行為。我們還在開發(fā)其他類型的等離子體光學(xué)器件，目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)綜合的等離子體組件工具箱，用于操縱高功率光?！?/p>

來源：Holographic Plasma Lenses, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.065003