光参量放大新型探测光源：等离子体飞秒超快动力学诊断的新思路

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封面解读：光谱被展宽后的白光超连续脉冲，在非线性晶体中与三个具有不同时延，且共线传播的泵浦脉冲相互作用，进而对三个不同的波长实现了放大效果；被放大后的三个脉冲作为探测光，在激光-靶相互作用过程中，具备非谐波频率单镜头多帧成像光源的功能。

概要

 激光与等离子体相互作用过程的研究是了解、发展新一代激光驱动的电子加速器的关键。在这类实验中，如何对预脉冲激发的等离子体进行实时观测，成为了备受瞩目的研究焦点。近日，一支来自欧盟极端光设施 (Extreme Light Infrastructure, ELI)的研究团队，提出了一种基于光参量放大系统，实现紧凑、简易化预等离子体行为探测的新型拍照光源设计思路，由于能够灵活调整各探测光之间的时间间隔，从而可实现对任意时间下等离子体动力学行为的精准探测。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第4期，并被选为封面文章。(Filip Grepl, Maksym Tryus, Timofej Chagovets, Daniele Margarone. Parametric amplification as a single-shot time-resolved off-harmonic probe for laser–matter interactions[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(4): 04000e45)

电子加速机制的深入研究，从“看清”等离子体产生过程开始

作为含量占比最高的物质存在形态，等离子体这种无序性最强的带电粒子体系，与气体、液体及固体一起，共同构成了我们赖以生存的宇宙环境。在实验室里，等离子体可以由功率密度超过10¹⁴ W/cm²的超强激光，在与靶材相互作用时电离产生；而当激光光强进一步提升，其会在极短作用区域内产生一个极强的加速电场，进而实现高能粒子加速。在这个过程中，加速驱动脉冲（主脉冲）真正到来之前，需要依靠一个强度相对较低的预脉冲（或是驱动脉冲的前沿）来实现等离子体的激发。这中间存在许多新奇的动力学现象，对这些预等离子体动力学行为的研究，有助于科学家摸清电子加速的内在机制，助力等离子体加速器等前沿应用的发展。

图1 激光驱动等离子体，新一代加速器的首选技术方案

（图源: phys.org）

受内在作用机理影响，激光驱动等离子体加速过程对于主、预脉冲到达等离子体的时间间隔有着极高的敏感度，该间隔甚至可以影响到超强电场、磁场的产生以及随后的加速过程。为了深入探究预脉冲激光辐射对于后续等离子体加速机制的具体影响，研究人员开发出了多种技术手段，其中受关注度最高、目前最为成熟的，仍然是泵浦探测方法：利用泵浦光与探测光（也可称“探针光”）之间可变的时间间隔，来实现单镜头多帧的成像探测；对于预等离子体动力学效应的探测脉冲，则应在主脉冲到来之前通过等离子体。

常见实现泵浦探测的方法有很多，但大多都是单帧测量（仅有一个探测脉冲），由于等离子体的不稳定性，该技术无法提供预等离子体演化过程的详细参考；而近年来兴起的多帧探测（多个探测脉冲）手段，则有力地改善了这一局面，通过调制多个探测脉冲之间的时间间隔，观察者能够得到任意时间尺度下等离子体演化过程的细节。尽管已有部分工作提出了多帧探测技术的设计思路，但这些基于基频或谐波频率探测光的测量手段，往往会因强等离子体自发射及目标激光散射的影响，进而使探测器饱和，并且覆盖探测光所积累的相位信息；为了减轻这种影响，探测光的波长可以略作转移，以一个非谐波频率进行探测。在宽光谱可调谐的目标驱动下，基于光参量放大 (Optical Parametric Amplifier, OPA) 的光源便成为了理想的备选方案，该类型光源能够产生覆盖可见光至近红外波段的超短脉冲输出，实验人员可以按需选择。近日，来自ELI ERIC子系统的研究人员，在负责人Filip Grepl的带领下，首次通过实验证明了：从主脉冲中所提取的光束成分，能够在经OPA系统延时、放大后，成为多帧探测预等离子体行为的探测脉冲串，这也意味着依靠单个OPA系统实现复杂等离子体行为探测的技术设想成为了现实。

巧妙的延时结构设计，为探测成像带来强大的时间分辨能力

在本文所介绍的工作中，ERIC的研究人员给工作在不同波段的探测光赋予了不同延时，以使其实现紧凑、操作简易型探测光源的设计，针对以往非谐波频率探测光需要引入额外同步及延时模块的复杂做法，从技术原理上进行了改进。该团队具体所采用的实验光路如图2 (a)所示，首先，一束由钛宝石激光所输出的6.5 mJ/ 800 nm/ 1 kHz/ 50 fs主脉冲会经过分束片 (Beamsplitter, BS) 进行分光，进而产生实验所需泵浦光与待处理的探测光，泵浦光将被直接导入靶室，待处理的探测光则进入OPA光路系统。具体地，探测光的一部分会被衰减到1 μJ，并被聚焦到3 mm的钛宝石薄片中，以产生超连续白光 (White-Light Continuum, WLC)，WLC在经过延时模块 (DL4) 后，成为待放大的种子光；而具备更高能量的另一部分，则在BS的分光下，被成功分割、排列为由三个脉冲所组成的脉冲串，三个脉冲之间的时间间隔分别由DL1~DL3所调控，而在多路复用器的作用下，三个脉冲之间的能量也会被调整至相同水平(15 μJ)，并最终与种子WLC在BBO内进行非共线放大。

图2 实验光路及原理：(a) 探测光产生及放大光路；(b) 单级倍频晶体中白光超连续与泵浦脉冲的时域重叠示意； (c) 窄带放大下的白光超连续光谱

在上述放大过程中，能够实现的光谱放大效果如图2 (b) ~ (c)所示。ERIC的研究团队灵活地利用了OPA系统的自身特性，巧妙引入分光及延时结构设计，避免了复杂电子同步设备的引入，将探测光的设置玩出了新的花样。在这项工作中，三个脉冲各自之间的最短时间间隔仅有170 fs，这一数值远远优于亚皮秒量级的探测目标，可以说能够对预等离子体行为实现精准探测。该团队研究人员对三个脉冲的光谱进行了表征，如图3 (a) 所示；而通过对WLC群延时的探测，也对不同脉冲各自延时数值的设置，进行了详细研究，得到的研究结果如图3 (b) 所示，在此基础上，研究人员能够更加全面系统地把握各脉冲延时的设置。

图3 (a) 探测光中包含各脉冲的光谱（归一化结果）；(b) 对不同脉冲延时设置选择的研究

当完成各脉冲设置后，该研究团队观测了固定时延间隔后等离子体通道，如图4 (a) 所示，通过对不同探测脉冲进行采集，能够得到因探测脉冲间相互作用而产生的干涉图样。在上述过程中，需要先标定其中一个脉冲 (S2) 为探测中间帧，而另外两个脉冲则分别构成探测过程的前、后帧，而通过对延时线所进行的精准调控（单步步长约10 μm），能够实现几乎任意时间间隔的预等离子体行为观测，而实际观测到如图4 (b) 所示的等离子体演化行为也证明了这一观点。

图4 (a) 三个脉冲在固定延时设置下对应探测开始、结束时的位置；(b) 基于三个探测脉冲的相对相移设置及表征

总结与展望

本文所介绍的工作，通过引入多条延时线结构，巧妙地利用OPA系统完成了多帧探测光源的搭建；该工作所实现的延时探测结构，能够在不引入复杂电子定时器的前提下，支持脉冲间隔最低170 fs 的预等离子体动力学行为探测，为激光驱动等离子体加速工作提供一件极其有效的工具。

在接受本刊编辑采访时，离子加速和高能粒子应用部门负责人Giuffrida博士表示：“本团队的这项研发工作，能够助力ELI用户束线中等离子体加速机制课题的深入进行，同时也能够被普遍应用于激光等离子体物理动力学的表征中”。该团队下一步的目标，主要在于增加总测量帧数，减小帧间间隔，实现时间分辨率更高探测装置的研制。

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1. 瑞士洛桑联邦理工学院Galatea实验室，研究人员用玻璃制造出飞秒激光器。2. 2024年7月8日-12日，将在西班牙萨拉曼卡举办第50届等离子体物理会议（The 50th Conference of Plasma Physics）。

3. 2024年9月9日-13日，将在墨西哥科苏梅尔岛举办第10届超高强度激光国际会议（The 10th International Conference on Ultrahigh Intensity Lasers (ICUIL 2024)）

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