极端光强激光是强场物理领域中最重要的研究工具。然而，高峰值功率激光极易损伤光学元件，为了使材料表面光强低于损伤阈值，需要不断增大光学器件的物理尺寸。目前，拍瓦级高功率激光器中光学元件的尺寸已经达到米量级，其高昂的制造成本极大地制约了高功率激光器的进一步发展。
等离子体光学器件理论上并不存在光学损伤阈值，限制其光通量的主要因素为等离子体中的非线性效应或相对论效应，其允许透过的光强是固体光学器件的2~5个数量级。然而，等离子体器件由于光学质量差、效率低，使得其应用价值大打折扣，如何产生高光学质量的等离子体器件一直是困扰研究人员的难题。
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员提出了一种使用原子团雪崩电离产生等离子体透射光栅的新方法，首次在实验上证明了等离子体光栅的衍射效率可达60%，同时能够保证较好的光束质量。这项突破有望促进等离子体光学、超高功率激光器的发展。相关成果发表以“Control of intense light with avalanche-ionization plasma gratings”为题发表在Optica上。
https://doi.org/10.1364/OPTICA.503283
等离子体光栅具有和常规固体光栅相同的性质，研究人员使用两束相同波长的脉冲激光（泵浦光）产生干涉图样，在介质中诱导产生电离层（等离子体层）-中性层相互交替的周期性结构，由于二者的折射率不同，在等离子体存在的时间内创造了一个透射体光栅，如图 1（a）所示。两束泵浦光聚焦在CO2气体和Ar团簇射流上，产生了图 1（b）中明暗相间的干涉条纹，并电离气体形成等离子体光栅，通过沿y轴方向的干涉诊断装置测得等离子体的电子密度约为1018~1019 cm-3。波长为3.9 μm的探测光被光栅衍射，经透镜成像在远端的散射屏上，衍射前后的光斑变化由中红外相机记录，实验装置如图 1（c）所示。
研究人员对等离子体光栅的衍射效率，光栅动力学，衍射光束质量和破坏阈值等方面进行了充分的实验研究。图 2中分别显示了有无光栅时散射屏上探测光的分布，所有图片右侧为未衍射的探测光，左侧为衍射光束。研究人员对比了不同气体电离的等离子体光栅衍射效率，相比于CO2气体，Ar团簇光栅对探测光的透过率更高，衍射后残留的光斑仅占总透过能量的8%，最高衍射效率达到了60%。
在此装置基础上，研究人员改变了泵浦光和探测光的延时，实验中基于雪崩电离的等离子体光栅持续时间约为10~100 ps，远大于其他研究中使用飞秒激光产生的等离子体光栅持续时间。当探测光滞后泵浦光25 ps时，光栅的平均衍射效率最高，约为36%。当滞后延时小于50 ps时，衍射光斑的空间抖动介于50~100 μm之间，具有良好的空间稳定性。此外，在等离子体光栅的破环阈值测量实验中，尽管随着探测光能量的增加，光栅的平均衍射效率下降，但在所有能量条件下都存在衍射效率高于20%的案例（图 3）。实验结果表明，通过优化泵浦激光和等离子体参数，产生稳定且具备高衍射效率的等离子体光栅是可行的。
图1 （a）等离子体光栅示意图；（b）泵浦光干涉图样；（c）实验装置示意图
图2 光束剖面图：CO2射流中的（a）未衍射光斑、（b）1阶衍射光（左）和0阶残留光斑（右）；Ar团簇射流中（c）未衍射光斑、（d）1阶衍射光（左）和0阶残留光斑（右）
图3 光栅衍射效率与探测光能量关系
等离子体光学器件应当具有足够高的效率和可靠性，研究人员利用激光干涉电离方法构建了平均衍射效率达36%的等离子体光栅，在个别测试中衍射效率超过了50%；而如何稳定地将等离子体光栅的衍射效率维持在较高水平是值得深入研究的课题。同时，研究团队首次对衍射光束的聚焦性和空间稳定性进行了测量，证明了基于雪崩电离的等离子体光栅具备在拍瓦级高功率激光器中应用的潜力。
