等离子体光学发展前景如何？现阶段发展得如何了？ 第1页

前景非常好！处于发展初级阶段。实验门槛高。距离商业化还很远。到处都是果子，快来摘吧。

1. 等离子体反射镜「plasma mirror」^{[1][2][3][4][5][6]}：

等离子体镜听起来高大上，其实大多数情况下就是块普通玻璃。主要是用来提高激光对比度。原理很简单，激光脉冲的低强度预脉冲和ASE直接透过，而高强度主脉冲离化玻璃产生过临界密度等离子体将脉冲反射。从而达到分离激光脉冲的高低强度部分。也可以叫做 pulse cleaning。等离子镜也可以用来产生高次谐波HHG，阿秒脉冲等。

稍微深入一点儿。玻璃透光没啥可说的，那为什么电离出来等离子体就能反射光了呢？

这是因为光在等离子体中的色散关系比较特殊：

那么光的群速度为：

其中 为等离子体密度， 为仅取决于光的频率 的临界密度。所谓临界密度是指当激光的密度大于此密度时，表达式根号内为负，激光不能传播。因此，当激光在玻表面电离出超过临界密度的等离子体，则激光不再继续传播，只能被反射。

等离子体镜相当于是个智能分拣员，激光脉冲强度低的部分放过去，强度高的部分反回去。判别强度高低的标准是产生的等离子体密度是否达到临界密度。最终实现的效果是剥离激光脉冲中的低强度成分，从而产生高对比度的干净脉冲。

2. 等离子体光栅「plasma grating」^[7][8][5][1]:

我们知道光栅一般是由等间距的周期性狭缝「透射光栅」或者在玻璃基底上刻划周期性的沟槽「反射光栅」。高功率超短激光领域一般使用反射光栅，比如啁啾脉冲放大技术使用的展宽和压缩光栅。这里要介绍的等离子体光栅也是反射光栅。其原理非常简单：两束高强度激光在固体表面干涉，干涉光电离固体产生等离子体。等离子体的密度分布与干涉光强度分布一致，因此形成密度周期性的高低变化，即为光栅。

这里要介绍一个设计精妙的实验，产生并验证等离子体光栅。示意图如下。大光束口径的超短脉冲激光被平面镜M0反射。平面镜M0之前放两个小的反射镜M1，M2。这样入射的激光被分成了三束光，两个小的光在前，一个大的光在后，他们之间的时间延时可由小反射镜与大反射镜之间的距离来控制。三束光被离轴抛物面镜聚焦，这样两个小的光斑就会在抛物面镜焦点位置交叉干涉，形成下图右上角的灰色干涉强度分布。这样的干涉光打在平面靶上，形成相应的等离子体密度分布，即等离子体光栅。叠加在灰色等离子体光栅图上的假彩色为大的光的焦斑。通过改变M1,M2与M0之间的距离，使得两个小光之间的时间延时超过干涉长度，则可以使得等离子体光栅消失。实现开关可控。这种等离子体光栅很难由光学手段观测。因此为了验证等离子体光栅的产生和消失，可观察大激光光斑打在等离子体光栅上产生的高次谐波HHG的空间调制情况，因为激光被光栅衍射只能在特定方向产生干涉条纹。下图左下和右下分别为两小光不同时间延时的HHG图样。显然左下每一个谐波在角向分布都有周期性调制，而右下当时间延时过大两光不发生干涉，则没有空间调制，即没有光栅产生。此外，利用衍射原理还可以通过HHG空间调制的周期确定HHG的源尺寸。而确定源尺寸实际上还没有其他直接的光学诊断手段。

3. 等离子体全息「plasma hologram」^[8]：

等离子体全息与普通全息技术的原理是一样的，只不过这里的干涉图样是由等离子体本身构成。首先两束激光脉冲「一束物光，一束参考光」同时照射平面固体靶，产生如图a所示的强度干涉图样。这个例子里面的物光是通过螺旋相位板产生的携带轨道角动量OAM「orbital angular momentum」的光学涡旋。这样干涉形成叉状的干涉图样。这两束光的干涉光电离固体产生相同图样的等离子体密度分布，如图b。等离子体在皮秒时间尺度内膨胀形成足够密度和空间尺度的叉状等离子体光栅。这样全息的核心干涉相位板就做好了。最后一步这是新入射一束光，从而再现最初的物光。当高强度的激光脉冲入射叉状等离子体光栅，高阶衍射光则为初始物光的再现。这样就产生了具有OAM的光学涡旋，最重要的是这样的再现光具有更高的能量。这自然是其重要的应用，因为通过螺旋相位板很难直接产生高强度的具有OAM的激光脉冲。

4. 等离子体光调制器「plasma optical modulator」^[9]：

搞激光器的和光学工程的可能对光调制器不陌生。一般光调制器利用特殊晶体的电光效应通过改变材料的折射率来实现对激光强度、频率、相位、偏振等多方面的调制。比如我的另一个回答里面利用DAZZLE实现脉冲整形：

但是晶体的非线性效应实现的光调制器有一个缺点，损坏阈值低。也就是说不能承载高强度的激光，因此也就大大的限制了其应用范围。这里介绍的等离子体光调制器则不存在这个问题，因为等离子体自身已经是完全电离，理论上能承载任意强度的激光。等离子体光调制器的原理如下图。首先要有一束短脉冲的驱动激光打在气体靶上，通过电离气体的方式产生等离子体。这束驱动激光的光压推动电子运动，离子由于比较重而几乎不受激光的影响，因此形成电荷分离场，即等离子体波。被调制的激光脉冲随后进入等离子体波。等离子体波是等离子体密度的空间调制，而等离子体中光的折射率跟密度有关。因而实现折射率的空间调制。折射率的调制则最终导致对后续激光脉冲的调制。

5. 等离子体“光纤”「plasma fiber/channel」^{[10][11][12][13]}：

传统光纤利用光在玻璃或塑料纤维内全反射原理进行传输，其物理实质是光纤核心和包层之间的折射率变化。光在等离子体中的传输比较特殊，原因还是上面提到的等离子体的特殊色散关系:

那么光的相速度「波前速度」为：

特定波前位置的相速度取决于当地的等离子体密度 。

等离子体通道中心密度低，横向上越远离中心轴密度越高。当激光在等离子体通道中传输时，光速边缘部分的密度高，光的相速度高；而中心部分密度低，光的相速度低。因此光的波前向中心轴弯折，有聚焦效果。同时，激光总是会经历衍射，导致衍射散焦。等离子体通道的聚焦和自发散焦形成动态平衡，最终能够保证激光脉冲的长距离传输。

6. 等离子体透镜「plasma lens」^[14][15][16]：

这里主要指的是利用等离子体对带电粒子束进行聚焦。可能不属于等离子体光学的范畴了。

一般对带电粒子进行聚焦采用的是磁四级铁。利用的是带电粒子在磁场中收到的洛伦兹力。等离子体透镜的物理本质也是一样的，只不过聚焦元件不是笨重的磁四级铁，而是尺寸可以小到cm量级的等离子体发生器，比如放电毛细管。毛细管中沿轴向的放电电流产生沿角向的磁场，沿轴向传播的电子在这个磁场中收到的洛伦兹力指向轴线，因此实现聚焦效果。

7. 等离子体波片「plasma wave-plate/polarizer」^[17][18]：

普通的波片是由双折射晶体构成的。比如四分之一波片可将入射的线偏振光转变成圆偏振光。等离子体也可以实现光的偏振态的转变。下图展示等离子体波片的原理。斜入射的线偏振光在固体靶上离化产生等离子体。等离子体表面具有各向异性的极化率张量，等效于双折射晶体。因此能够改变入射光的偏振态。

8. 等离子体光脉冲放大「plasma laser amplifier」^{[19][20][21][22]}：

这个应该是题主比较关心的吧。不同于啁啾脉冲放大技术CPA，等离子体脉冲放大的原理是非线性光学的三波混频。具体利用的是受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS。其核心是将长脉冲的泵浦光能量转移给短脉冲的种子光。而散射光的作用就是一个桥梁。散射光可以是电子等离子体波「SRS」也可以是离子声波「SBS」。整个过程满足能量和动量守恒：

9. 等离子体光脉冲压缩「plasma laser compression 」^[23][24]：

激光脉冲宽度越短，也即越快，光强越强。我们这个领域一直在追求超短超快。傅里叶光学告诉我们，激光脉冲的频域光谱和时域脉冲宽度是一对共轭量。在傅里叶变换极限下，光谱宽度和脉冲宽度的乘积是定值。也就是说要想获得时域上超短的脉冲，则需要尽量对其光谱进行展宽。等离子体对激光脉冲的压缩就是基于这一原理。激光脉冲在等离子体中传播会自发的经历相位调制，导致光谱中不同频率成分的传播速度不一样，实现光谱展宽，进而导致光脉冲宽度可进一步压缩。

10. 等离子体同步辐射振荡器「plasma undulator and synchrotron」^{[25][26][27][28][29][30]}：

所谓同步辐射振荡器是由一系列正负极交替的磁铁构成。带电粒子通过这组磁铁会在洛伦兹力的作用下进行周期性振荡。电子轨迹中方向的改变意味着有加速度，加速度的存在必然会导致辐射的产生。这种辐射的频谱具有同步辐射谱的性质。

等离子体中也能产生类似的辐射。比如在激光尾波场加速过程中，激光脉冲的光压排开其路径上的电子，只留下较重的离子，形成一个离子空泡。在空间电荷场作用下的电子沿空泡壁回流。一些电子在特定条件下能够被空泡捕获从而被加速。这些电子一般从偏离激光传播对称轴的横向位置进入空泡。它们自然受到空泡内指向中心轴的电场力的作用，进行类似谐振子的振荡。从而产生同步辐射。

这种同步辐射光源相比于传统大型粒子加速器上的同步辐射光源具有显著的优势：一个是整体设备很小，造价很低；另一个是这个光源的脉冲宽度近似于驱动激光脉冲的宽度，在飞秒量级，远低于传统同步辐射的脉宽。因此十分利于进行超快时间分辨。

11. 等离子体X射线"条纹相机"「plasma X-ray streak camera 」^[31]：

这一个是鄙人的文章。「Physics of Plasmas 编辑精选」

所谓条纹相机是将超快的时间信号转化为空间分布的仪器，具体过程是光信号在转化器上产生的光电子在交变电场中的偏转。不同时刻的电场强度不同，偏转后的光电子在探测器上的位置就不同，这样就可以从探测器上的光电子位置强度分布反推出入射光信号的时间波形。

我们的工作原理类似，不过是用来反推激光尾波场加速过程电子能量随时间的变化。这个工作的背景知识恰好都在上面提到了。首先，等离子体密度分布具有横向梯度。根据上面 5 提到的激光相速度与密度的关系，激光脉冲会逐步由高密度向低密度传播，因此其传播位置「即时间」是角度的函数。激光脉冲在等离子体中产生尾波场加速电子，根据 10， 电子加速过程产生同步辐射。同步辐射的出射角度基本跟激光的传播角度一致。另外同步辐射的能量由电子的能量决定。因此，在特定角度测量同步辐射的能量便可以反推出此角度上产生同步辐射的电子的能量。再由上面提到的角度和时间的关系，则最终获得电子能量随时间的变化关系。

以上。

参考

1. ^^abIndestructible plasma optics https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4234
2. ^Complete characterization of a plasma mirror for the production of high-contrast ultraintense laser pulses. G. Doumy, F. Quéré, O. Gobert, M. Perdrix, Ph. Martin, P. Audebert, J. C. Gauthier, J.-P. Geindre, and T. Wittmann Phys. Rev. E 69, 026402 – Published 9 February 2004.  https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.69.026402
3. ^Single plasma mirror providing 104 contrast enhancement and 70% reflectivity for intense femtosecond lasers https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-55-21-5647
4. ^Attosecond plasma optics https://www.nature.com/articles/nphys1191
5. ^^abPlasma mirrors for ultrahigh-intensity optics https://www.nature.com/articles/nphys595
6. ^Towards intense isolated attosecond pulses from relativistic surface high harmonics https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-3-280
7. ^Optically Controlled Solid-Density Transient Plasma Gratings https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.145008
8. ^^abPlasma holograms for ultrahigh-intensity optics https://www.nature.com/articles/nphys4007
9. ^Plasma optical modulators for intense lasers https://www.nature.com/articles/ncomms11893#:~:text=Because%20of%20the%20ultrafast%20modulation,with%20intense%20laser%E2%80%93matter%20interactions
10. ^Guiding of High Intensity Laser Pulses in Straight and Curved Plasma Channel Experiments. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.77.4186
11. ^Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.084801
12. ^Intense short-pulse lasers irradiating wire and hollow plasma fibers https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-36-6-924
13. ^Multistage Coupling of Laser-Wakefield Accelerators with Curved Plasma Channels https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.154801
14. ^Active Plasma Lensing for Relativistic Laser-Plasma-Accelerated Electron Beams https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.184802
15. ^Demonstration of relativistic electron beam focusing by a laser-plasma lens https://www.nature.com/articles/ncomms7860
16. ^Ultrafast Laser-Driven Microlens to Focus and Energy-Select Mega-Electron Volt Protons https://science.sciencemag.org/content/312/5772/410
17. ^Plasma-based polarization modulator for high-intensity lasers https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4971232
18. ^Plasma-based polarizer and waveplate at large laser intensity https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.97.063201
19. ^Short light pulse amplification and compression by stimulated Brillouin scattering in plasmas in the strong coupling regime https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.2201896
20. ^Experimental Evidence of Short Light Pulse Amplification Using Strong-Coupling Stimulated Brillouin Scattering in the Pump Depletion Regime https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.025001
21. ^Spectral characteristics of ultra-short laser pulses in plasma amplifiers https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4818893
22. ^Amplification of Ultrashort Laser Pulses by Brillouin Backscattering in Plasmas https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.055004
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24. ^Observation of Laser-Pulse Shortening in Nonlinear Plasma Waves https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.95.205003
25. ^Characterization of transverse beam emittance of electrons from a laser-plasma wakefield accelerator in the bubble regime using betatron x-ray radiation. https://journals.aps.org/prab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.15.021302
26. ^Synchrotron radiation from electron beams in plasma-focusing channels https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.65.056505
27. ^Modeling classical and quantum radiation from laser-plasma accelerators https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevSTAB.16.030701
28. ^Tunable synchrotron-like radiation from centimeter scale plasma channels https://www.nature.com/articles/lsa201615
29. ^A compact tunable polarized X-ray source based on laser-plasma helical undulators https://www.nature.com/articles/srep29101
30. ^Plasma Undulator Based on Laser Excitation of Wakefields in a Plasma Channel https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.145003
31. ^Angular streaking of betatron X-rays in a transverse density gradient laser-wakefield accelerator https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5054807