清华工物系鲁巍教授课题组“相对论光子减速器
来源:篮球网 发表于2019-07-09 06:08:42 编辑:徐正溪
摘要: 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《天然光子学》(Nature Photonics:2019 IF 37.8)期刊上宣布的 相对论光子减速器 理论论文被选为该杂

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《天然·光子学》(Nature Photonics:2019 IF 37.8)期刊上宣布的 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《调控等离子体结构发生相对论光强、单周期可调谐红外脉冲》(Relativistic, single-cycle tunable infrared pulses generated from a tailored plasma density structure),体系阐述了一种根据等离子体 光子减速 机制发生相对论光强可调谐超快红外激光脉冲的全新计划。该计划创始性地使用特定 三明治 结构等离子体作为非线性光学器材( 光子减速器 ),将一般波长约0.8-1μm的超快超强激光脉冲以极高的功率转化为波长在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。该计划取得了《天然·光子学》评阅人的高度评价,共同以为计划具有高度可行性,将可以在近期试验中取得验证。而这也将添补长期以来该波长范围内超快超强激光光源的空白,拓荒相对论红外激光非线性光学的全新研讨范畴,并为超强激光在阿秒科学、超快化学、强场物理、新加快器与光源等范畴的使用带来全新的机会。

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

超快飞秒激光是一种独特的存在,它脉冲极短(飞秒量级 ~10-15 s),比微观上分子振荡的周期还短。在1飞秒时刻内,即使是光也只能走一根头发丝的百分之一的间隔。自上个国际80年代以来,超快飞秒激光及其使用就成为物理与化学等很多前沿研讨范畴的热门,曩昔20年间就有两次诺贝尔奖颁发给了飞秒激光相关研讨。1999年,艾哈迈德·泽维尔(Ahmed H. Zewail)教授因使用超快激光观察到飞秒时刻标准的光化学反响进程被颁发诺贝尔化学奖,拓荒了超快化学研讨的新范畴。2005年,根据飞秒激光的 光梳 技能取得诺贝尔物理学奖。使用 光梳 技能可以完结对天然界许多根本物理量的超精密丈量,例如由 光梳 发生的最准确的时钟 光学原子钟 有望替代铯原子钟成为新的计时规范。

跟着飞秒激光科学技能的迅猛开展,人类关于最短时刻标准的控制逐步深化到了阿秒(~10-18 s)范畴,即原子中电子量子波包运动的时刻标准。2001年,经过对飞秒强激光与原子效果发生高次谐波的控制,人们初次取得了具有阿秒时刻长度的深紫外光子脉冲(650阿秒),敞开了阿秒脉冲发生与使用的新时代,而使用阿秒脉冲研讨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 之后量子光学范畴的又一重要热门!现在,人们可以取得的最短脉冲长43阿秒,仍然比天然原子单位时刻24阿秒(氢原子基态电子轨迹周期)长近一倍,相应的光子波长在软X射线波段。怎么取得短于天然原子单位时刻的阿秒脉冲,以及将阿秒脉冲光子波长进一步推动至硬X射线波段,一向以来是阿秒脉冲研讨的两个要害应战。

但是因为高次谐波发生机理的约束,使用现有近红外波长(0.8-3.9μm)飞秒强激光现已遇到技能瓶颈,原理上需求更长波长(5-10μm)的近单周期飞秒强激光才干有用的完结更短阿秒脉冲,以及更短光子波长(硬X射线)的方针。并且理论模仿显现,9μm左右波长的近单周期飞秒强激光乃至可以有用发生小于1阿秒的脉冲结构,也便是说有望将人类可控制时刻标准推动到仄秒(~10-21 s)范畴!惋惜的是,在发生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应战。因为缺少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向停步于4μm以下。而这一约束,也是当时限制阿秒科学向更短脉冲及更高光子能量跨进的瓶颈地点。

在飞秒激光开展的另一方面,具有相对论光强的超强飞秒激光及其使用在曩昔十年取得了日新月异的开展,而其中最具吸引力的使用热门是具有超高加快才能的激光尾波加快器。大型加快器包含广泛用于粒子物理研讨的对撞机或各科研范畴的高品质光源,是现代科学研讨至关重要的研讨东西。它们往往杂乱贵重且规划巨大(千米标准)。而激光尾波加快器因其超出传统加快器千倍以上的超高加快梯度,有望将大型加快器与光源缩小到一般试验室乃至桌面规划。《天然》杂志以 等离子体革新 来描述这种新式加快器技能,并在其 2020展望 中专题论说其重要意义,以为激光尾波加快将为激光与加快器在工业、科研和医疗等范畴的使用带来革新性的改变。

十分风趣的是,激光尾波作为 带电粒子加快器 的一起,关于激光本身而言却是一个不折不扣的 光子减速器 。激光经过能量丢失发生尾波,而激光本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,这便是所谓的 光子减速 机制。换一个视点看,这个进程其实也是超强激光在等离子体中的一个非线性频率改换进程,与常见的晶体或气体中的光学自相位调制极端相似。而要害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,一起又可以容易支撑超强光场,因而特定规划的等离子体结构中的 光子减速 在发生长波长超强激光方面具有天然的巨大潜力。那么能否找到一种适宜的结构,处理5μm以上波长准单周期超强中红外激光的发生难题,就成为了一个十分值得探究的方向。假如可以有所突破,就会成为典型的 他山之石可以攻玉 !带着这个等待,鲁巍教授与白植豪副研讨员辅导博士生聂赞深化开展了体系的理论剖析与大型并行粒子模仿研讨,找到了一个根据 三明治 等离子体结构的全新计划。在该计划中,经过激光在一个 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可以以很高的功率被发生出来。

图 2 三明治 型等离子体结构密度散布(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讨员为本文通讯作者, 2019级工物系博士生聂赞为榜首作者。本研讨得到了基金委天然科学基金项目以及科技部A类973项目支撑。模仿作业在威风太湖核算机上完结。

鲁巍教授2007年取得激光加快范畴首届约翰·道森(John Dawson)奖,并于2019年取得国际朴实与使用物理联合会IUPAP年度青年科学家奖,是国际首位取得该奖的从事激光等离子体及加快器物理研讨的学者,也是亚洲首位获奖的等离子体物理学家。

 

清华工物系鲁巍教授课题组“相对论光子减速器”计划被选为《天然·光子学》封面论文

 

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