一枪即变：RAVEN 如何捕获拍瓦级激光器并增压聚变研究
超强激光可以在电场的单次振荡（或“波周期”）内将电子加速到接近光速，使其成为研究极端物理学的有力工具。 然而，它们的快速波动和复杂的结构使得实时测量其特性具有挑战性。 到目前为止，现有技术通常需要数百次激光拍摄才能组合出完整的图像，这限制了我们捕捉这些极端光脉冲的动态特性的能力。 超强激光器可以在电场的单次振荡（或“波周期”）内将电子加速到接近光速，使其成为研究极端物理学的有力工具。 然而，它们的快速波动和复杂的结构使得实时测量其特性具有挑战性。 到目前为止，现有技术通常需要数百次激光拍摄才能组合出一张完整的照片，这限制了我们捕捉这些极端光线的动态特性的能力脉冲。 这项由牛津大学物理系和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的研究人员共同领导的新研究描述了一种新颖的单发诊断技术，名为 RAVEN（矢量电磁近场的实时采集）。 这种方法使科学家能够高精度地测量单个超强激光脉冲的完整形状、时间和对准。 全面了解激光脉冲的行为可能会在许多领域彻底改变性能提升。 例如，它可以使科学家能够实时微调激光系统（即使是偶尔发射的激光器），并弥合实验现实和理论模型之间的差距，为计算机模型和 AI 驱动的模拟提供更好的数据。 该方法的工作原理是将激光束分成两部分。 其中一个用于测量激光器的颜色（波长）如何随时间变化，而另一个部分穿过双折射材料（分离具有不同偏振状态的光）。 然后，微透镜阵列（微小透镜网格）记录激光脉冲的波前（形状和方向）的结构。 该信息由专门的光学传感器记录，该传感器将其捕获在单个图像中，计算机程序从中重建激光脉冲的完整结构。 首席研究员 Sunny Howard（大学物理系博士研究员牛津大学和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的访问科学家）说：“我们的方法首次实现了实时完全捕获超强激光脉冲，包括其偏振状态和复杂的内部结构。 这不仅为激光-物质相互作用提供了前所未有的见解，而且为以以前不可能的方式优化高功率激光系统铺平了道路。 该技术在 ATLAS-3000 上成功进行了测试拍瓦级激光器，它揭示了激光脉冲中的微小失真和波移，这些失真和波移以前是无法实时测量的，使研究团队能够对仪器进行微调。 这些扭曲，已知的时空耦合，会显著影响高强度激光实验的性能。 通过提供实时反馈，RAVEN 允许立即调整，从而提高等离子体物理实验的准确性和效率，粒子加速和高能量密度科学。 它还节省了大量时间，因为不需要多次拍摄即可完全表征激光脉冲的特性。 该技术还为在实验室中实现惯性聚变能源装置提供了一条潜在的新途径——这是朝着以足以为社会提供动力的规模产生聚变能的关键门户。 惯性聚变能装置使用超强激光脉冲产生高能等离子体中的粒子，然后传播到聚变燃料中。 这种“辅助加热”概念需要准确了解聚焦到目标的激光脉冲强度，以优化聚变产量，现在由 RAVEN 提供。 聚焦激光器还可以为新物理学提供强大的探针——例如，通过将两个脉冲相互引导，在真空中产生光子-光子散射。 的合著者 Peter Norreys 教授（牛津大学物理系）说：“大多数现有方法需要数百次拍摄，而 RAVEN 只需一次即可实现激光脉冲的完整时空表征。 这不仅为激光诊断提供了强大的新工具，而且还有可能加速各种超强激光应用的进展，有望突破激光科学和技术的界限。 合著者 Andreas Döpp 博士（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学物理学院和访问学者）牛津大学原子与激光物理学科学家）补充道：“在 Sunny 加入我们在慕尼黑一年后不久，它终于'咔嚓咔嚓'，我们意识到了支撑 RAVEN 的美丽结果：因为超强脉冲在聚焦时被限制在如此微小的空间和时间内，因此分辨率存在根本限制 实际上需要执行这种类型的诊断。 这改变了游戏规则，意味着我们可以使用微镜头，使我们的设置变得更加简单。 展望未来，研究人员希望将 RAVEN 的应用扩展到更广泛的激光设施，并探索其在优化惯性聚变能量研究、激光驱动粒子加速器和高场量子电动力学实验方面的潜力。 这项研究是与慕尼黑路德维希-马克西米利安大学、马克斯普朗克量子光学研究所和约翰亚当斯加速器科学研究所合作进行的。 这项工作得到了 UKRI-STFC 和德国和欧盟的资助机构。