一发射，格局变：RAVEN装置如何捕获拍瓦激光并大幅推进聚变研究

• 研究成果于6月26日发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

超强激光可在电场单次振荡（或称“波周期”）内将电子加速至近光速，使其成为研究极端物理学的强大工具。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，限制了捕捉这些极端光脉冲动态特性的能力。

这项新研究由英国牛津大学物理系和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的研究人员共同领导，描述了一种名为RAVEN（矢量电磁近场实时采集）的新型单次诊断技术。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、时间特性及准直状态。

全面掌握激光脉冲行为特征将在诸多领域引发性能增益的革命性突破。例如，它可使科学家实时微调激光系统（即使对间歇性发射的激光器也适用），并弥合实验现实与理论模型之间的鸿沟，为计算机模型和人工智能驱动的模拟提供更优质数据。

该方法通过将激光束分成两部分工作。其中一路用于测量激光颜色（波长）随时间的变化，而另一路则通过双折射材料（可分离不同偏振态的光）。微透镜阵列（微型透镜网格）继而记录激光脉冲波前（波形与方向）的结构方式。专业光学传感器记录这些信息，通过单次成像即可由计算机程序重建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洞察，还为高功率激光系统的优化开辟了前所未有的途径。"

该技术在德国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形偏移，使研究团队能够精确调试仪器。这些被称为时空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，支持即时调整，从而提升等离子体物理、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，还能显著节省时间。

该技术还为实验室实现惯性约束聚变能装置提供了潜在新途径——这是迈向规模化聚变发电的关键门户步骤。惯性约束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"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，这正是RAVEN所提供的技术支撑。聚焦激光还可成为探索新物理的强大探针——例如通过双向对射脉冲在真空中产生光子-光子散射。

共同作者Peter Norreys教授（牛津大学物理系）指出："现有方法大多需要数百次发射，而RAVEN仅需单次即可完成激光脉冲的完整时空表征。这不仅提供了强大的激光诊断新工具，更具备加速超强激光广泛应用领域的潜力，有望推动激光科技前沿的突破。"

共同作者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加入慕尼黑团队约一年后，我们终于'顿悟'并发现了支撑RAVEN的精妙原理：由于超强脉冲在聚焦时被限制在极小的时空范围内，执行此类诊断所需的分辨率存在基本极限。这一认知颠覆了传统思路，使我们能够采用微透镜技术，大幅简化装置结构。"

展望未来，研究人员希望将RAVEN的应用扩展到更广泛的激光装置，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和高场量子电动力学实验中的潜力。

本研究由慕尼黑路德维希-马克西米利安大学、马克斯·普朗克量子光学研究所和约翰·亚当斯加速器科学研究所协作完成。工作获得英国研究与创新署-STFC及德国与欧盟资助机构的支持。