該研究提出并系統(tǒng)驗(yàn)證了一種基于微結(jié)構(gòu)等離子體FZP靶的激光聚焦方案。通過三維PIC模擬，詳細(xì)分析了該方案的物理過程、靶的性能以及方案的魯棒性。方案示意圖如圖1所示。

       光斑尺寸為15 μm、歸一化電場(chǎng)振幅a0 = 250的高斯激光脈沖正入射至透射式奇數(shù)型FZP（TO-FZP）靶上。該靶由電離的碳離子和氫離子構(gòu)成，電子密度為250nc。圖中黑色區(qū)域代表等離子體區(qū)，可阻擋入射光傳播；白色區(qū)域代表真空區(qū)，激光脈沖可自由通過。通過對(duì)環(huán)帶半徑進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，使從相鄰?fù)该鲄^(qū)出射的光到達(dá)焦點(diǎn)處的光程差恰好為激光波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的相位差為2π，從而在焦點(diǎn)處發(fā)生相長(zhǎng)干涉，實(shí)現(xiàn)高效聚焦。這種基于等離子體的衍射光學(xué)元件，有望突破傳統(tǒng)光學(xué)材料的強(qiáng)度極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)拍瓦乃至更高功率激光的聚焦。

       模擬結(jié)果表明，相對(duì)論激光（強(qiáng)度約8.6×1022 W/cm2）與等離子體靶相互作用后，一部分激光穿過靶，另一部分則被反射。靶的特殊結(jié)構(gòu)使得輸出激光之間的相位差為2π的整數(shù)倍，從而在穿過FZP后形成干涉場(chǎng)。在后續(xù)傳播過程中，透射激光逐漸聚焦，其峰值電場(chǎng)振幅增強(qiáng)至入射激光的約5倍，對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度超過4.2×1024 W/cm2。同時(shí)，輸出激光光斑尺寸被聚焦至0.73 μm，接近于0.61 μm的理論衍射極限。能量傳輸效率穩(wěn)定在10%左右，對(duì)應(yīng)的激光能量密度增強(qiáng)因子達(dá)到46。基于菲涅爾-基爾霍夫衍射公式的理論預(yù)測(cè)的電場(chǎng)振幅大值與模擬結(jié)果高度吻合，驗(yàn)證了該聚焦機(jī)制的物理可行性。此外，通過將輸出激光的電場(chǎng)振幅與擬合高斯曲線對(duì)比（圖2（e）），可以看出輸出激光保留了輸入激光的波形特征。

       此外，研究進(jìn)一步探討了反射式偶數(shù)型等離子體菲涅爾波帶片（RE-FZP）的潛力。如圖3（a）所示，該靶與圖 3（d）中的透射式靶具有相同的環(huán)帶數(shù)和橫向尺寸，但其厚度顯著增加。對(duì)于反射式靶，所有區(qū)域的透射率降為零，且奇數(shù)區(qū)和偶數(shù)區(qū)之間存在特定的厚度差。模擬結(jié)果顯示，該反射式靶可將激光聚焦強(qiáng)度提升至1025 W/cm2以上，同時(shí)將能量傳輸效率提高至約15.4%。盡管反射式FZP能利用更多的入射激光能量，但可能在實(shí)驗(yàn)中帶來激光信號(hào)探測(cè)與前置光學(xué)設(shè)備防護(hù)方面的挑戰(zhàn)。

       圖4匯總了多種基于激光等離子體相互作用的激光強(qiáng)度提升方案，其中星標(biāo)表示本研究方案所取得的結(jié)果。該方案在百拍瓦級(jí)激光裝置中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。