单发实验改写格局：RAVEN项目如何捕获拍瓦级激光并超级强化聚变研究

• 研究结果于6月26日发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)期刊上。

超强激光可在电场单次振荡（或称"波周期"）内将电子加速至接近光速，使其成为研究极端物理的强大工具。然而，其快速波动和复杂结构使得实时测量其特性极具挑战。迄今为止，现有技术通常需要数百次激光发射才能构建完整图像，限制了捕捉此类极端光脉冲动态特性的能力。

这项由英国牛津大学物理系与德国慕尼黑大学研究人员联合主导的新研究，描述了一种名为RAVEN（矢量电磁近场实时捕获）的全新单次诊断技术。该方法使科学家能够高精度测量单个超强激光脉冲的完整波形、时序及偏振方向。

完整掌握激光脉冲行为模式有望在多领域引发变革性性能提升。例如，使科学家能实时微调激光系统（即使对偶尔发射的激光器也适用），弥合实验现实与理论模型之间的差距，为计算机模型和人工智能模拟提供更优质数据。

该技术通过将激光束分成两部分实现测量：一部分用于监测激光颜色（波长）随时间的变化，另一部分则穿过双折射材料（该材料可分离不同偏振态的光）。微透镜阵列（微型透镜网格）随后记录激光脉冲波前（形状与方向）的结构信息。专业光学传感器捕获这些数据形成单幅图像，再由计算机程序重建激光脉冲的完整结构。

首席研究员桑尼·霍华德（牛津大学物理系博士研究员、慕尼黑大学访问科学家）表示："我们的方法首次实现了超强激光脉冲的实时完整捕获，包括其偏振态和复杂内部结构。这不仅为激光-物质相互作用提供了前所未有的洞察，还为高功率激光系统的优化开辟了全新途径。"

该技术在德国的ATLAS-3000拍瓦级激光装置上成功通过验证，实时揭示了激光脉冲中先前无法测量的微小畸变和波移，使研究团队得以微调仪器。这些被称为空时耦合效应的畸变会显著影响高强度激光实验的性能。

RAVEN通过提供实时反馈实现即时调整，提升了等离子体物理、粒子加速和高能量密度科学实验的精度与效率。由于无需多次发射即可全面表征激光脉冲特性，还能大幅节省实验时间。

该技术还为实验室实现惯性约束聚变能装置提供了新途径——这是实现规模化聚变能源的关键环节。惯性约束聚变装置利用超强激光脉冲在等离子体内产生高能粒子，这些粒子随后传播至聚变燃料中。这种"辅助加热"方案需要精确掌握聚焦激光脉冲的靶向强度以优化聚变产出，而这正是RAVEN所能提供的。聚焦激光还可成为探索新物理现象的强有力探测工具，例如通过两束激光对射在真空中产生光子-光子散射。

合著者彼得·诺里斯教授（牛津大学物理系）指出："现有方法大多需数百次发射，而RAVEN仅需单次发射即可完成激光脉冲的空时特性表征。这不仅提供了强大的新型激光诊断工具，更有潜力加速超强激光应用的广泛发展，推动激光科技的前沿突破。"

合著者安德烈亚斯·德普博士（慕尼黑大学物理系、牛津大学原子与激光物理访问科学家）补充道："桑尼加入慕尼黑团队一年后，我们突然顿悟并认识到RAVEN的精妙核心原理：当超强脉冲被聚焦时，其时空被压缩至极小尺度，这意味着此类诊断所需的分辨率存在基本限度。这一突破性认知使我们能采用微透镜技术，大幅简化装置结构。"

展望未来，研究者希望将RAVEN的应用拓展至更广泛激光设施，并探索其在优化惯性约束聚变能研究、激光驱动粒子加速器及强场量子电动力学实验中的潜力。

本研究与慕尼黑大学、马克斯·普朗克量子光学研究所、约翰·亚当斯加速器科学研究所合作完成，工作获得英国研究与创新署科学技术设施委员会（UKRI-STFC）以及德国和欧盟资助机构支持。