Adv. Photon. Nexus | 利用超强超短激光实现单波长尺寸聚焦

Zhaoyang Li, Yanqi Liu, Xiaoyang Guo, Yuxin Leng, Ruxin Li. Single-wavelength size focusing of ultra-intense ultrashort lasers with rotational hyperbolic mirrors[J]. Advanced Photonics Nexus, 2024, 3(3): 036002

超强超短激光作为大科学装置，其应用范围已经囊括基础物理、国防安全、产业服务和健康医疗。在基础物理方面，已经成为研究强场激光物理的利器，特别是面向激光驱动辐射源产生、激光粒子加速、真空量子电动力学等。通常为了突出其“超强超短”的特点，采用峰值功率来描述超强超短激光，比如1.5 PW的“Nova装置”和10 PW的“上海超强超短激光实验装置SULF”与“欧盟极端光设施之核物理ELI-NP”等。然而在具体应用中，通常是将超强超短激光聚焦在实验靶上进行光与物质相互作用。因此，聚焦强度才是真正体现超强超短激光能力的参数，也是使用方真正关心的参数。

当前，普遍采用大口径离轴抛物面镜对超强超短激光进行聚焦，聚焦光斑直径一般约为4~20 μm，即载波波长的5~25倍（载波波长为800 nm）。为了提升超强超短激光的聚焦强度，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室李儒新院士、冷雨欣研究员和李朝阳研究员团队提出了面向单波长尺寸聚焦的旋转双曲面镜二次聚焦法。研究成果以“Single-wavelength size focusing of ultra-intense ultrashort lasers with rotational hyperbolic mirrors”为题，发表于Advanced Photonics Nexus 2024年第3期。

通常，拍瓦级超强超短激光的光束口径约为150~500 mm，离轴抛物面镜的F数约为2~10，因此理想聚焦光斑大小约为4~20 μm。如图1所示，旋转双曲面镜可以将原本聚焦到其F1焦点的激光反射并聚焦至其F2焦点，在该过程中可大幅增加激光束的聚焦孔径角，即F数大幅减小。因此在原本离轴抛物面镜之后级联一块旋转双曲面镜可实现减小聚焦光斑的目的。

图1 双曲线镜的二次聚焦效应

例如当第一级离轴抛物面镜的聚焦孔径角为20°时，如图2（a）所示聚焦光斑大小约为3倍载波波长。若级联一块离心率为1.218的旋转双曲面镜后，如图2（b）所示聚焦孔径角可增加至84.3°，聚焦光斑大小约为0.88倍载波波长，从而达到了单波长尺寸聚焦的目的。该过程虽然减小了聚焦焦深，增大了调靶难度，但并未改变聚焦后脉冲光束的时间和光谱特性，因此不会对物理实验产生不良影响。

图2（a）离轴抛物面镜一次聚焦和（b）旋转双曲面镜二次聚焦的对比

该团队前期提出了产生单周期超强超短激光的技术方案WNOPCPA（广角非共线光参量啁啾脉冲放大）。若将上述两种技术结合，有望将超强超短激光的能量集中在以激光载波波长为直径的三维时空立方体内，该状态也是杰哈·莫罗等人早年提出的激光器的极限强度。图3（a）和3（b）分别是1200 nm、900 nm和600 nm单色光在单波长尺寸聚焦时聚焦区域的电场和强度分布图。图3（c）是单周期超强超短激光在单波长尺寸聚焦时焦平面上的空间—光谱强度分布图。图3（d）和3（e）则是焦平面上的空间—时间强度和电场分布图。模拟结果显示达到了“极限强度”状态。

图3 单周期超强超短激光的单波长尺寸聚焦

该团队提出了面向单波长尺寸聚焦的旋转双曲面镜二次聚焦法，可以在不改变当前超强超短激光装置的前提下，通过级联一块离心率优化的旋转双曲面镜，将聚焦光斑减小至单波长尺寸。同时，与WNOPCPA（广角非共线光参量啁啾脉冲放大）技术结合，有望达到超强超短激光装置的“极限强度”。这将进一步增强超强超短激光在强场激光物理应用方面的实验能力。