低密度等离子体棱镜压缩器取得突破，突破传统光学限制，赋能超高功率激光技术

    激光技术的迅猛发展，持续推动着人类对极端物理现象的探索，而拍瓦级及更高功率的激光装置，更是解开高能物理、相对论光学等领域奥秘的关键工具。然而，传统激光脉冲压缩技术长期受限于光学元件的损伤阈值，成为制约激光功率提升的核心瓶颈。近日，美国密歇根大学、罗切斯特大学等机构的科研人员联合研发出基于低密度等离子体棱镜的新型脉冲压缩器，为突破这一限制带来革命性进展，相关成果发表于《High Power Laser Scienceand Engineering》。

    传统压缩技术的困境：高功率激光发展的主要障碍
    自啁啾脉冲放大技术问世以来，全球拍瓦级激光装置数量从1998年的1台大幅增长至21世纪10年代中期的50余台，目前已有多台突破10拍瓦级别。但在向更高功率迈进的过程中，脉冲压缩器成为亟待攻克的核心难题。传统压缩器依赖大型衍射光栅，这类光学元件的损伤阈值极低，实际应用中其能量密度阈值通常不超过1J/cm²。要实现拍瓦级激光输出，需0.11kJ的脉冲能量，这意味着光栅尺寸需达到平方米级，不仅制造难度极大，还面临高昂的成本压力。更重要的是，当激光强度达到10¹³10¹⁴W/cm²时，传统光栅极易被损坏，严重限制了激光功率的进一步提升。

    等离子体棱镜的创新：应对超高强度激光的全新方案
    该科研团队提出利用低密度等离子体棱镜替代传统光栅，构建新型脉冲压缩系统。等离子体作为一种电离态物质，其性能退化的强度极限比传统光学元件高出数个数量级，从根本上解决了损伤阈值问题。
    该设计采用四组对称排列的等离子体棱镜，通过增材制造的气体池产生均匀等离子体（上图为示意图）。激光脉冲以布儒斯特角入射，利用等离子体的几何色散效应实现脉冲压缩。与传统方案相比，这一设计具有三大显著优势：
    超高强度耐受：模拟验证其可承受10¹⁶W/cm²级别的激光强度，远超传统光栅极限；
    结构紧凑高效：系统总尺寸可控制在1米以内，远小于传统大型光栅压缩器；
    高重复率兼容：以气体为初始介质，可实现高重复率稳定运行，满足实验需求。

    理论与仿真验证：从模型到实践的有效跨越
    为量化压缩效果，该科研团队建立了完整的光谱相位分析模型，推导了群速度色散（Groupdelaydispersion,GDD）和三阶色散（Thirdorderdispersion,TOD）的计算公式，通过优化等离子体密度、棱镜间距和角度等参数，实现了对脉冲啁啾的精准调控。在二维粒子模拟框架OSIRIS中，团队对包含三阶色散补偿的完整系统进行了验证：初始166.5fs的啁啾脉冲经压缩后，半峰全宽达到22.4fs，压缩比达7.4，峰值功率达83GW。更重要的是，在高达1.14×10¹⁶W/cm²的强度下，未观察到自聚焦、受激拉曼散射等非线性干扰现象，验证了方案的稳定性。
    针对三阶色散导致的脉冲畸变问题，团队提出在压缩器中心插入立方密度分布的等离子体校正板，通过精准调控密度梯度，有效补偿了色散误差，为实现更高质量的脉冲压缩奠定了基础。

    本研究提出的基于低密度等离子体棱镜的高功率飞秒脉冲压缩器，是突破传统光学技术瓶颈的创新方案。其核心优势在于能承受10¹⁶W/cm²级别的激光强度，远超传统衍射光栅10¹³10¹⁴W/cm²的损伤阈值限制。通过建立分析模型计算光谱相位与脉冲压缩效果，并经OSIRIS粒子模拟验证，证实了该设计的可行性——模拟中脉冲压缩比达7.4，且未观察到自聚焦、受激拉曼散射等干扰现象。
    虽仅靠几何优化无法完全消除三阶色散，但可通过激光前端预补偿或在压缩器中心插入立方密度分布的等离子体slab实现有效补偿，最终能设计出整体尺寸小于1m的紧凑型系统。未来，这一技术将为1PW、10PW乃至100PW级激光装置提供关键支撑，经进一步优化等离子体电离方式与色散补偿方案后，不仅能推动相对论光学、极强电磁场物理等前沿领域的探索，更将为聚变能源、精密探测等实际应用铺平道路，开启超高功率激光技术的全新发展阶段。