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封面 | 改变超强超短激光的脉冲速度

发布:ZSjie2130阅读:351时间:2024-3-27 17:00:17

 

       超强超短激光作为大科学装置,其应用范围已经囊括基础物理、**安全、产业服务和健康医疗。在基础物理方面,已经成为研究强场激光物理的利器,特别是面向激光驱动辐射源产生、激光粒子加速、真空量子电动力学等。顾名思义,超强超短激光的最显著特点是强度“超强”和脉冲“超短”,比如1996年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室建成的世界首台拍瓦级超强超短激光装置——“Nova”——具有1.5拍瓦峰值功率和440飞秒脉冲宽度;又比如2017和2019年我国和欧盟分别建成的创世界最高记录的十拍瓦级超强超短激光装置——“上海超强超短激光实验装置SULF”和“欧盟极端光设施之核物理ELI-NP”——具有10拍瓦峰值功率和22飞秒脉冲宽度。

 

       上述超强超短激光聚焦后可获得1021至1023 W/cm2极端聚焦光强,为研究“强场光子学”提供了基础和平台。毫无疑问,超强超短激光极高的峰值功率和聚焦光强是其最为显著的特点,但如果可以改变超强超短激光脉冲的传输速度,则将极大地提升其在强场光子学领域的应用效果和范围。

 

       张江实验室和中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室的相关论述以“从超强超短激光的脉冲前沿畸变到 X 形光波包的群速度控制”为题发表在《激光与光电子学进展》2024年第5期。

 

 

封面解读

 

       本封面展示了利用时空色散将超强超短激光的脉冲前沿和相位前沿分离,通过锥形叠加产生不同群速度的X形光波包,其几何中心处的强激光脉冲可以是超光速、光速或亚光速。这种脉冲之于强场激光物理具有重要的应用前景和价值。

 

       文章链接:李朝阳, 冷雨欣, 李儒新. 从超强超短激光的脉冲前沿畸变到X形光波包的群速度控制[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(5): 0500001.

 

 

背景介绍

 

       超强超短激光一般是指脉冲宽度为数十和数百飞秒、峰值功率为太瓦和拍瓦的激光脉冲,其聚焦光强超过1018 W/cm2。超强超短激光及其产生的超强辐射源和高能粒子源在高能物理、粒子物理、等离子体物理、核物理和天体物理等众多基础研究方向具有广泛的应用价值,其产出的科研成果进而可以服务于相关高新产业、医疗健康、环境能源和**安全等方面。自1985年啁啾脉冲放大技术的发明,1996年世界首台拍瓦激光的出现和2017年世界首台十拍瓦激光的建成,超强超短激光过去的关注点主要是实现“最强光”。近年来研究表明,在维持超强激光脉冲的条件下,如果能够控制超强超短激光的脉冲传输速度,在一些物理应用方面可能会带来事半功倍的效果,有望在减小超强超短激光装置规模的同时,反而提升其在强场激光物理实验中的效果。

 

超强超短激光的脉冲前沿畸变

 

       超强超短激光为了在有限能量下获得高峰值功率,通过扩大增益带宽将脉冲宽度减小到了20~30飞秒。当前10拍瓦超强超短激光的脉冲能量约为300焦耳,压缩器光栅的低损伤阈值使得光束口径一般大于300毫米。具有20~30飞秒脉宽和300毫米口径的脉冲光束极易携带时空耦合畸变,特别是脉冲前沿畸变。图1(a)是光束角色散导致的脉冲前沿与相位前沿的时空分离,前者相对后者出现“时空倾斜”。另一种则是透镜系统导致的更加复杂的“时空弯曲”。图1(b)是理想脉冲前沿、倾斜脉冲前沿和弯曲脉冲前沿对靶上光场时空畸变的影响,结果是极大地降低了聚焦光强,不利于超强超短激光的强场应用。

 

图1(a)棱镜和光栅导致的脉冲前沿倾斜,(b)脉冲前沿畸变对靶上时空光场的影响

 

超强超短激光的脉冲速度控制

 

       平面波锥形叠加产生的贝塞尔光束目前在强场激光物理方面已经显现出应用价值。如果锥形叠加的脉冲光束具有轴对称的脉冲前沿分布,则如图2所示产生的X光波包几何中心强度可以是恒定超光速、恒定亚光速、加速超光速和减速亚光速。甚至利用可变形镜与相位型空间光调制器组合还能产生任意时空形状的脉冲前沿,进而产生任意可控的传输速度。上述物理效应及其调制技术取得了将脉冲前沿“畸变”转变为脉冲前沿“控制”的效果,进而实现了对超强超短激光传输速度调制的目的。

 

图2 叠加产生的(a)恒定超光速、(b)恒定亚光速、(c)加速超光速和(d)减速亚光速光脉冲,其位于叠加区域的几何中心

 

总结与展望

 

       脉冲前沿畸变的发现虽然早于超强超短激光,但却是伴随着超强超短激光的发展被广泛关注的。长久以来不利于实现超强超短激光的核心目标——超高聚焦光强,研究人员一直致力于抑制或消除各种脉冲前沿畸变。如今,当“脉冲前沿畸变”发展成为“脉冲前沿控制”,反而实现了对超强超短激光传输速度的调控,为超强超短激光在强场激光物理方面的应用提供了新手段和新机遇。

 

作者简介

 

 

       李朝阳,中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室研究员,曾获国家海外人才青年项目资助。长期从事超强超短激光技术开发和装置研制,近期兴趣包括下一代超强超短激光的底层技术开发及其复杂时空光场表征与控制等。

 

 

       冷雨欣,中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室研究员,曾获国家杰出青年基金资助。长期从事超强超短激光技术及前沿应用研究,主要包括超强超短激光光场控制、新材料新波段超快激光、微纳尺度超快激光,及相关物理应用等。

 

 

       李儒新,中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室研究员,中国科学院院士。长期从事超强超短激光及其前沿应用研究,主要包括飞秒“十至百拍瓦”级超强超短激光技术开发、装置研制,及相关强场激光物理重大应用等。

 

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/8kAXrOzCdO54ysnj9SAGeQ