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清华大学鲁巍团队: “光子减速器”方案产生超强单周期中红外脉冲

2018-12-30

清华大学鲁巍教授团队提出了一种基于激光等离子体“光子减速”机制产生可调谐超强近单周期中红外激光脉冲的理论方案,被选为Nature Photonics 8月封面论文。该方案利用特定“三明治”结构的等离子体作为非线性光学频率转换器件(“光子减速器”),将普通波长0.8~1 μm的超快超强激光脉冲高效率地转化为波长在4~15 μm范围的可调谐相对论光强近单周期中红外脉冲。该方案原理简单且可实现性强,目前已获得实验验证。长期以来,受限于激光放大介质以及非线性光学晶体的物理特征,超短超强激光的产生仅限于1 μm左右有限的近红外波长(特别是近单周期相对论光强的激光脉冲)。该方案的提出与实现,填补了长期以来中红外波长范围内(4~15 μm)超快超强激光脉冲产生的空白,有望开辟相对论中红外非线性光学新的研究领域,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机遇。


图1 “光子减速器”产生超强单周期中红外激光脉冲

超快与超强激光及其应用一直是众多前沿研究领域的热点。近20年有三次诺贝尔奖颁发给了相关研究,足见其在前沿科学研究中举足轻重的意义。1999年,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”技术因其在诸多基本物理量精细测量方面的应用获得诺贝尔物理学奖。2018年,Mourou与Strickland因发明产生超短超强激光的关键技术“啁啾脉冲放大(CPA)”获得诺贝尔物理奖,而激光加速器与应用、阿秒科学以及飞秒微加工三方面的研究则是超短超强激光获奖的重要科学与应用基础。

自啁啾脉冲放大技术发明以来,超短超强激光技术一直在迅猛发展,激光峰值功率与可聚焦光强一直以指数级速度增长,目前功率和光强分别有望接近10 PW和1023 W/cm2。但在波长可调谐方面,长期以来超短超强激光的产生仅限于1 μm左右有限的近红外波长,这主要是受限于激光放大介质以及非线性光学晶体的物理特征。由于缺乏合适的超宽带非线性光学晶体以及损伤阈值的限制,近单周期超强中红外激光脉冲的中心波长一直停滞在4 μm,如何在4~15 μm的波长范围内有效地产生近单周期的超强激光脉冲一直缺乏可行方案。这方面的突破,有望开辟相对论中红外非线性光学新的研究领域,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机遇。

超短超强激光的重要科学应用之一是阿秒科学。阿秒即10-18 s,是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光子脉冲(650阿秒),开启了阿秒脉冲产生与应用的新时代。目前人们能够获得的最短软X射线脉冲长43阿秒,依然比自然原子单位时间24阿秒长近一倍。一直以来如何获得更短的阿秒脉冲是阿秒脉冲研究的一个挑战,由于高次谐波产生机理的限制,利用现有近红外波长(0.8~3.9 μm)飞秒强激光已经遇到瓶颈。原理上长波长(5~10 μm)近单周期飞秒强激光非常有利于实现更短阿秒脉冲这一目标,而目前这一波段超短超强脉冲产生技术的限制,是制约阿秒脉冲向更短时间分辨迈进的瓶颈之一。

超短超强激光的另外一个重要科学应用是具有超高加速能力的激光尾波加速器。传统大型加速器包括用于粒子物理研究的对撞机或众多科研领域的高亮度光源,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,例如美国斯坦福线性加速器国家实验室(SLAC)的第四代线性加速器相干光源(LCLS)长达一公里。激光尾波加速器因其具有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。其基本原理可以用“光速冲浪”来比喻:当超短超强激光在稀薄等离子体中传播时,会在等离子体中激发类似船划过水面的尾波。被加速的带电粒子像冲浪者一样在尾波中被推着以接近光速前行,并不断从中获得能量。由于尾波加速场比当前加速器技术的加速场强千到万倍,所以很小的加速距离就能获得极高能量。Nature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。

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”。在激光激发尾波的过程中,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(光子群速度)也不断变慢,这就是所谓的“光子减速”机制。在激光尾波加速研究早期,人们就已经熟知这种现象,但人们主要的关注点在于带电粒子的加速。如果换一个角度看,这个过程其实也是超强激光在等离子体中传播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非线性自相位调制类似。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5 μm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 “他山之石可以攻玉”的一个典型案例。带着这个期待,鲁巍教授团队深入开展了系统的理论分析与大型并行粒子模拟研究,找到了一个非常理想且具有高度可行性的新方案。在该方案中,激光在一个“三明治”型等离子体结构中被“光子减速”的同时(图2),能够以很高的效率产生波长在5~14 μm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。


图 2 (a)“三明治”型等离子体结构密度分布,(b)激光脉宽与归一化矢势及 (c) 红外光谱随等离子体距离变化曲线,(d)单周期超强红外脉冲(12 μm中心波长)及其光谱

具体来说,这种 “三明治”结构的等离子体由三部分组成:压缩段、转化段和输出段。通俗地理解,这三部分可类比成一个弹簧被 “压缩蓄力”到极限,然后 “瞬间释放”的过程。压缩段通过“光子减速”和等离子体中群速度色散的综合影响使脉冲产生很强的自压缩(30~10 fs),这是“压缩蓄力”的过程。在转化段,由于等离子体密度陡升,被压缩后的激光脉冲在高密度等离子体中发生强烈的“光子减速”,这就是 “压缩蓄力”到极限后的“瞬间释放”过程。通过该过程,在很短的距离内就可实现高效率的中红外光转化,例如论文中给出的示例是中心波长12 μm,脉宽45 fs的超强单周期中红外脉冲。最后输出段是等离子体密度逐渐下降的渐变段,用以将中红外脉冲尽可能无损耗、无畸变地导出等离子体。

该研究成果以Relativistic, single-cycle tunable infrared pulses generated from a tailored plasma density structure为题于2018年6月11日在线发表于Nature Photonics [12, 489–494 (2018)]上,并被选为当期封面论文。该工作获得了Nature Photonics评阅人的高度评价,他们一致认为该方案具有高度可行性,将能够在近期的实验中获得验证。事实上,该方案已经在近期实验中获得验证,实验结果与理论模拟结果高度吻合。清华大学鲁巍教授为该文通讯作者,白植豪副研究员为共同通讯作者,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11425521(杰青)、11535006(重点)、11475101、11775125以及科技部A类973项目2013CBA01501的支持。模拟工作在神威太湖超级计算机上完成。

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