近日，上海交通大学物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室盛政明教授研究团队报道了在等离子体光学研究领域的最新进展。该工作提出利用两束同向传播的激光脉冲（即泵浦光和种子光）在等离子体中激发拉曼前向散射过程，在极小的时空尺度内实现对近红外种子光脉冲的高效光放大。该研究成果以“Towards the Generation of Petawatt Near-Infrared Few-Cycle Light Pulses via Forward Raman Amplification in Plasma”为题，于2025年6月26日在线发表于Physical Review Letters期刊。
研究背景
自1960年激光发明以来，特别是随着1980年代Mourou和Strickland发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术与1990年代欧洲科学家发明了光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术，激光功率得到快速提升，被广泛应用于激光惯性约束聚变、新型粒子加速器、超快光学等领域。然而，受制于传统光学放大手段中所采用的放大介质主要为固体材料，进一步提升激光光强面临着晶体损伤阈值较低、热效应显著、装置体积庞大与成本昂贵等挑战。同时，受制于晶体材料的制备，当下高功率激光器波段主要集中在0.8微米与1.06微米。不同于通常光学放大介质，等离子体作为物质的第四态，能承受更高的激光强度和能量。在过去的20年中，以等离子体为介质实现激光放大的主流方案包括拉曼背向散射机制[Phys. Rev. Lett. 82, 4448 (1999)]与强耦合布里渊背向散射机制[Phys. Rev. Lett. 111, 055004 (2013)]。这些方案利用两束相向传播的泵浦光和种子光在等离子体中对撞，通过激发相应的等离子体波实现种子光脉冲的放大。然而，以上光放大方案也面临诸多问题，如等离子体条件苛刻、双光对撞夹角限制、动理学效应与其他等离子体不稳定性等，从而影响实际放大效率；而且上述方案被放大的种子光脉冲的波长也局限在泵浦光附近。迄今为止，拉曼背向光放大方案在实验上尚未突破0.1太瓦量级，相关的理论研究也有待进一步发展。因此，探索更高效、更灵活、更具鲁棒性的新型等离子体光放大机制，特别是能够突破波长限制、以及目前激光峰值功率的极限，成为该领域亟待解决的关键挑战。
研究创新点
研究团队首次提出基于同向传播的泵浦和种子激光脉冲，在等离子体中激发拉曼前向散射过程，从而实现种子光脉冲放大的方案（Forward Raman Amplification, FRA)。该模型不同于已有的等离子体背散光放大方案中试图抑制前散不稳定性，而是将其转变为种子光放大的主要能量来源。在FRA方案中，满足拉曼前散相位匹配条件的泵浦光脉冲和种子光脉冲同向注入相应密度的等离子体。由于种子光波长显著大于泵浦光，因此二者在等离子体中传播时，拥有更大群速度的泵浦光会在空间上逐渐超越种子光。在这一过程中，双光拍频叠加有效激发电子等离子体波，通过三波耦合过程实现泵浦光能量往种子光的持续转移，使得后者得到动态光放大。放大后的种子光脉冲继续在等离子体中独立传播，并触发自相位调制，实现其脉宽的自压缩，光强进一步提升。基于以上物理图像（如图1所示），研究团队构建了相应的FRA线性模型和非线性模型，并首次解析获得了等离子体光放大的解析增长率和定标关系。通过理论分析和数值模拟发现，在百微米空间尺度、亚皮秒时间尺度内，利用1.0微米泵浦激光，FRA可将1.8微米的种子光脉冲峰值光强放大104～105倍，脉宽压缩至准单周期量级。
图1. 等离子体拉曼前散光放大示意图。
团队通过系列数值模拟，验证了理论模型的准确性，证实FRA在高光强作用下的高效性，并基于等离子体密度的可调谐性实现不同波段种子光脉冲的有效放大。该研究同时也阐述了FRA的鲁棒性，包括等离子体温度效应、电离与碰撞效应、动理学效应、非均匀等离子体效应等物理因素。利用三维粒子模拟程序，团队进一步证实了FRA方案在实际几何构型下的可靠性，并论述通过采用毫米尺度光斑的种子光，FRA将具备拍瓦量级高功率、少周期、近红外光脉冲的输出能力。此外，只需适当增大激光光束的口径，该方案在理论上具备突破目前激光技术能达到的峰值功率极限的能力。
图2. 一维和三维PIC数值模拟结果展示。(a) 一维PIC模拟给出的不同时刻光场的空间分布。(b) 输出放大后的种子光脉冲随时间的变化。(c) 输入与输出光场的频谱分析。(d) 三维PIC数值模拟给出放大过程中，种子光脉冲峰值光强随时间变化的三个阶段，其中黑色虚线为理论解析模型。
总结与展望
通过构建相应的解析理论模型与数值模拟，该研究发展并验证了FRA这一全新的等离子体光放大机制，实现在极小的时空尺度内，将初始光强较弱的长波近红外脉冲光强放大4～5个数量级，并将脉宽压缩至准单周期。相比传统非线性晶体光放大和他人提出的等离子体背散光放大方案，FRA具备空间紧凑、高效率、少周期、高信噪比、波长可调谐等特点，同时其双光脉冲同向传播的构型兼具实验方案简明、稳定性高、等离子体鲁棒性强等优势。该工作提出的等离子体拉曼前散光放大方案为近红外波段高功率少周期激光脉冲的产生提供了全新的路径，从而有望应用于从阿秒脉冲产生、新型粒子加速器、到极端强场物理等广泛的领域。
上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室博士生雷智宇为本文第一作者，盛政明教授为通讯作者。合作者包括该实验室翁苏明教授、陈民教授、张杰院士。该研究得到国家自然科学基金委(12135009, 12225505, 12005287)和中国科学院(XDA25050100, XDA25010100)的支持。
