一击破局：RAVEN装置如何捕捉拍瓦激光并加速聚变研究进程

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

超强激光可在电场单次振荡（或“波周期”）内将电子加速至近光速，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充满挑战。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，限制了我们捕捉这些极端光脉冲动态特性的能力。

这项由英国牛津大学物理系和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学研究人员共同领导的新研究，描述了一种名为RAVEN（实时获取矢量电磁近场）的新型单发诊断技术。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形态、时序和准直状态。

全面掌握激光脉冲行为可在诸多领域带来革命性的性能提升。例如，它能使科学家实时微调激光系统（即使对于偶尔发射的激光器），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驱动模拟提供更优质数据。

该方法通过将激光束分成两部分实现。其中一部分用于测量激光颜色（波长）随时间的变化，另一部分则穿过双折射材料（可将不同偏振态的光分离）。微透镜阵列（微型透镜网格）随后记录激光脉冲波前（形态与方向）的结构。信息由专用光学传感器记录，通过单幅图像捕获数据后，计算机程序即可重构激光脉冲的完整结构。

首席研究员Sunny Howard（牛津大学物理系博士研究员，慕尼黑路德维希-马克西米利安大学访问科学家）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见解，更开辟了优化高功率激光系统的新途径，这在以前是不可能的。」

该技术在德国的ATLAS-3000拍瓦级激光器上成功通过测试，揭示了激光脉冲中先前无法实时测量的微小畸变和波移，使研究团队能够对该仪器进行微调。这些被称为时空耦合的畸变会显著影响高强度激光实验的性能。

通过提供实时反馈，RAVEN可实现即时调整，提升等离子体物理、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，该方法还可显著节省时间。

该技术还为实验室实现惯性聚变能装置提供了潜在新途径——这是实现社会规模化聚变发电的关键门户步骤。惯性聚变能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」概念需要精确掌握目标处的聚焦激光脉冲强度以优化聚变产额，这正是RAVEN所提供的技术能力。聚焦激光还可成为探索新物理的强大探针——例如通过使两束脉冲对射，在真空中产生光子-光子散射。

合著者Peter Norreys教授（牛津大学物理系）表示：「在现有方法大多需要数百次发射的领域，RAVEN仅需单次发射即可完成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，更具备推动广泛超强激光应用领域进步的潜力，有望突破激光科技的边界。」

合著者Andreas Döpp博士（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学物理系教授，牛津大学原子与激光物理访问科学家）补充道：「Sunny加入慕尼黑团队后不久，我们终于『灵光闪现』，领悟到支撑RAVEN的精妙原理：当超强脉冲被聚焦时，其时空范围被限制在极微小尺度，这意味着执行此类诊断所需的分辨率存在基本限制。这是改变游戏规则的认识，使我们能够采用微透镜，大幅简化实验装置。」

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研究、激光驱动粒子加速器和强场量子电动力学实验方面的潜力。

本研究与慕尼黑路德维希-马克西米利安大学、马克斯·普朗克量子光学研究所以及约翰·亚当斯加速器科学研究所合作完成。工作获得英国UKRI-STFC及德国与欧盟资助机构支持。