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清华工物系鲁巍教授课题组“相对论光子减速器”方案被选为《自然·光子学》封面论文
发布时间:2018-08-04

清华新闻网8月3日电 8月1日,清华大学工程物理系鲁巍教授课题组在《自然·光子学》(Nature Photonics:2016 IF 37.8)期刊上发表的“相对论光子减速器”理论论文被选为该杂志8月份的封面论文(图1)。该论文题为《调控等离子体结构产生相对论光强、单周期可调谐红外脉冲》(Relativistic, single-cycle tunable infrared pulses generated from a tailored plasma density structure),系统阐述了一种基于等离子体“光子减速”机制产生相对论光强可调谐超快红外激光脉冲的全新方案。该方案开创性地利用特定“三明治”结构等离子体作为非线性光学器件(“光子减速器”),将普通波长约0.8-1μm的超快超强激光脉冲以极高的效率转化为波长在5-14μm范围内可调谐的相对论光强近单周期飞秒红外激光脉冲。该方案获得了《自然·光子学》评阅人的高度评价,一致认为方案具有高度可行性,将能够在近期实验中获得验证。而这也将填补长期以来该波长范围内超快超强激光光源的空白,开辟相对论红外激光非线性光学的全新研究领域,并为超强激光在阿秒科学、超快化学、强场物理、新加速器与光源等领域的应用带来全新的机遇。


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图1  激光等离子体“光子减速”产生超强中红外脉冲(Nature Photonics 8月封面论文)


超快飞秒激光是一种奇特的存在,它脉冲极短(飞秒量级 ~10-15 s),比微观上分子振动的周期还短。在1飞秒时间内,即使是光也只能走一根头发丝的百分之一的距离。自上个世界80年代以来,超快飞秒激光及其应用就成为物理与化学等众多前沿研究领域的热点,过去20年间就有两次诺贝尔奖颁发给了飞秒激光相关研究。1999年,艾哈迈德·泽维尔(Ahmed H. Zewail)教授因利用超快激光观察到飞秒时间尺度的光化学反应过程被授予诺贝尔化学奖,开辟了超快化学研究的新领域。2005年,基于飞秒激光的“光梳”技术获得诺贝尔物理学奖。利用“光梳”技术可以实现对自然界诸多基本物理量的超精细测量,例如由“光梳”产生的最精确的时钟“光学原子钟”有望取代铯原子钟成为新的计时标准。


随着飞秒激光科学技术的迅猛发展,人类对于最短时间尺度的操控逐渐深入到了阿秒(~10-18 s)领域,即原子中电子量子波包运动的时间尺度。2001年,通过对飞秒强激光与原子作用产生高次谐波的操控,人们首次获得了具有阿秒时间长度的深紫外光子脉冲(650阿秒),开启了阿秒脉冲产生与应用的新时代,而利用阿秒脉冲研究原子分子及凝聚态物质中电子量子行为的科学则被称为“阿秒科学”,这是继“光梳”之后量子光学领域的又一重要热点!目前,人们能够获得的最短脉冲长43阿秒,依然比自然原子单位时间24阿秒(氢原子基态电子轨道周期)长近一倍,相应的光子波长在软X射线波段。如何获得短于自然原子单位时间的阿秒脉冲,以及将阿秒脉冲光子波长进一步推进至硬X射线波段,一直以来是阿秒脉冲研究的两个关键挑战。


然而由于高次谐波产生机理的限制,利用现有近红外波长(0.8-3.9μm)飞秒强激光已经遇到技术瓶颈,原理上需要更长波长(5-10μm)的近单周期飞秒强激光才能有效的实现更短阿秒脉冲,以及更短光子波长(硬X射线)的目标。而且理论模拟显示,9μm左右波长的近单周期飞秒强激光甚至能够有效产生小于1阿秒的脉冲结构,也就是说有望将人类可操控时间尺度推进到仄秒(~10-21 s)范畴!遗憾的是,在产生5μm以上波长的飞秒近单周期强激光方面,传统晶体非线性光学的思路遇到难以逾越的挑战。由于缺乏相应的宽带非线性光学晶体,长期以来准单周期飞秒中红外强激光的波长一直止步于4μm以下。而这一限制,也是当前制约阿秒科学向更短脉冲及更高光子能量迈进的瓶颈所在。


在飞秒激光发展的另一方面,具有相对论光强的超强飞秒激光及其应用在过去十年取得了突飞猛进的发展,而其中最具吸引力的应用热点是具有超高加速能力的激光尾波加速器。大型加速器包括广泛用于粒子物理研究的对撞机或各科研领域的高品质光源,是现代科学研究至关重要的研究工具。它们往往复杂昂贵且规模巨大(千米尺度)。而激光尾波加速器因其超出传统加速器千倍以上的超高加速梯度,有望将大型加速器与光源缩小到普通实验室甚至桌面规模。《自然》杂志以“等离子体革命”来形容这种新型加速器技术,并在其“2020展望”中专题论述其重要意义,认为激光尾波加速将为激光与加速器在工业、科研和医疗等领域的应用带来革命性的变化。


非常有趣的是,激光尾波作为“带电粒子加速器”的同时,对于激光自身而言却是一个不折不扣的“光子减速器”。激光通过能量损失产生尾波,而激光自身光子的频率不断下降(波长变长),其在等离子体中的等效速度(群速度)也不断变慢,这就是所谓的“光子减速”机制。换一个角度看,这个过程其实也是超强激光在等离子体中的一个非线性频率变换过程,与常见的晶体或气体中的光学自相位调制极其类似。而关键的不同在于等离子体是一个具有高度灵活性的可定制介质,同时又能够轻易支撑超强光场,因此特定设计的等离子体结构中的“光子减速”在产生长波长超强激光方面具有天然的巨大潜力。那么能否找到一种合适的结构,解决5μm以上波长准单周期超强中红外激光的产生难题,就成为了一个非常值得探索的方向。如果能够有所突破,就会成为典型的 “他山之石可以攻玉”!带着这个期待,鲁巍教授与白植豪副研究员指导博士生聂赞深入开展了系统的理论分析与大型并行粒子模拟研究,找到了一个基于“三明治”等离子体结构的全新方案。在该方案中,通过激光在一个“三明治”型等离子体结构中的“光子减速” (图 2),波长在5-14μm范围内可调谐的具有相对论光强的近单周期飞秒红外脉冲就能够以很高的效率被产生出来。


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图 2 “三明治”型等离子体结构密度分布(a)与单周期超强红外脉冲(12μm中心波长)及其光谱(d)



工物系鲁巍教授与白植豪副研究员为本文通讯作者, 2012级工物系博士生聂赞为第一作者。本研究得到了基金委自然科学基金项目以及科技部A类973项目支持。模拟工作在神威太湖计算机上完成。


鲁巍教授2007年获得激光加速领域首届约翰·道森(John Dawson)奖,并于2014年获得国际纯粹与应用物理联合会IUPAP年度青年科学家奖,是世界首位获得该奖的从事激光等离子体及加速器物理研究的学者,也是亚洲首位获奖的等离子体物理学家。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-018-0190-8


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