深技大科研團(tuán)隊(duì)首次提出基于超光速等離子體尾波場產(chǎn)生阿秒脈沖的方案

近日，深圳技術(shù)大學(xué)阮雙琛教授和周滄濤教授團(tuán)隊(duì)在國際上首次提出基于超光速等離子體尾波場產(chǎn)生阿秒脈沖、亞周期相干光激波輻射的物理方案，并闡釋了一種由電子集體作用主導(dǎo)的全新相干輻射產(chǎn)生機(jī)制。

研究成果以“Coherent subcycle optical shock from a superluminal plasma wake”為題在國際物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表。團(tuán)隊(duì)助理教授彭浩為論文第一作者，黃太武教授、周滄濤教授和阮雙琛教授為論文共同通訊作者。

電磁波輻射在我們生活中隨處可見，與我們的生活息息相關(guān)，比如可見光波段的太陽光、燈光，微波波段的手機(jī)和WIFI信號(hào)，極紫外波段的***光源和高能波段的X射線等等。

然而自然界的光大多都是非相干光，它們具有復(fù)雜的頻率、很寬的空間指向和混亂的相位。上世紀(jì)60年代人類發(fā)明了第一個(gè)相干光源—激光。

對于相干光，由于其所包含的各光譜成分具有相干性，各成分的相位差是固定的，因此可以實(shí)現(xiàn)光脈沖的調(diào)制和壓縮，從而獲得持續(xù)時(shí)間極短、峰值功率極高的相干光源。

激光這種相干光源問世不久就變得無處不在了，從科研、工業(yè)和軍事到通訊、娛樂和藝術(shù)，以及我們的日常生活，處處都可以看到激光的重要應(yīng)用。

激光技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用也催生了多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，比如2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)明啁啾脈沖激光放大技術(shù)的Gerard Mourou和Donna Strickland教授，該技術(shù)使得激光亮度（功率密度）提升約10個(gè)數(shù)量級，超過太陽光亮度約21個(gè)數(shù)量級；而今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)則授予了阿秒脈沖光的發(fā)明者Pierre Agostini、Ferenc Krausz以及Anne L’Huillier教授，他們發(fā)明了一種產(chǎn)生阿秒脈沖光的方法，這種光脈沖非常短，足以捕獲原子和分子內(nèi)部演變的圖像。

（a）自然界的光源；（b）人類創(chuàng)造的相干光源－激光；（c）超音速飛機(jī)引起的聲激波；（d）輻射源產(chǎn)生激波的原理示意圖。

相干光源產(chǎn)生的關(guān)鍵是鎖相，即讓每個(gè)參與輻射的微觀粒子之間的相位相同，激光的產(chǎn)生就是基于愛因斯坦提出的受激輻射原理，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原子會(huì)釋放出同入射光子相位一致的出射光子；而自由電子激光這種超大科學(xué)裝置是基于電子束的微聚束效應(yīng)，從而保證每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)相位一致。

在自然界中，存在著另外一種波的鎖相機(jī)制——激波。例如，當(dāng)超音速飛機(jī)飛行速度超過空氣中的音速時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲激波，這是因?yàn)轱w機(jī)頭部在不同時(shí)刻產(chǎn)生的聲波以球形波前向外擴(kuò)散時(shí)，沿著一個(gè)特殊角度（契倫科夫角度）的相位前沿是鎖定的。

同理，如果讓輻射源超過光速，就可以產(chǎn)生一種新的相干電磁波輻射——光激波。然而讓同一輻射源在真空中超光速是不可能的，因?yàn)楠M義相對論告訴我們?nèi)魏挝矬w的運(yùn)動(dòng)都不可能“超光速”。

近年來，深圳技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正大力推進(jìn)國內(nèi)高校首個(gè)大型超強(qiáng)激光綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（高功率納秒－皮秒－飛秒激光裝置）——辰光系列裝置建設(shè)。該平臺(tái)的一個(gè)重要研究方向就是研發(fā)新型相干輻射光源并開展相關(guān)應(yīng)用研究。

近期，該團(tuán)隊(duì)從相干輻射基本原理出發(fā)，提出了一種基于電子集體作用的全新相干輻射機(jī)制：通過相對論電子束與具有緩變上升密度梯度的等離子體相互作用，可以激發(fā)一個(gè)尺寸逐漸變小的等離子體空泡（空泡尺寸與等離子體密度成負(fù)相關(guān)），不同位置處的等離子體電子在空泡尾端反彈并在此輻射，由于空泡縱向尺寸逐漸縮小，其尾端前進(jìn)的集體速度大于驅(qū)動(dòng)電子束速度（接近光速），達(dá)到“超光速”條件，因而不同電子在此處產(chǎn)生的輻射沿著契倫科夫角度相干疊加形成光激波。

該輻射光源具有非常獨(dú)特的性質(zhì)：不僅脈沖寬度極短，達(dá)到阿秒尺度，并且強(qiáng)度很高，與傳播距離的平方成正比，同時(shí)具有極佳的空間指向性、極小的角散、穩(wěn)定的載波包絡(luò)相位和超寬的頻率調(diào)諧范圍。

（a）相對論電子束打到等離子體中在空泡尾端產(chǎn)生光激波的示意圖；（b）大型超算數(shù)值模擬中看到的超光速空泡尾端的光激波輻射。

上述工作闡釋了一種電子束驅(qū)動(dòng)的全新相干輻射機(jī)制，突破了經(jīng)典相干輻射理論中要求電子束尺寸遠(yuǎn)小于輻射波長的限制。同時(shí)，該工作為相干光源產(chǎn)生提供了一種簡單可行的物理實(shí)驗(yàn)方案，有望在臺(tái)面尺寸上產(chǎn)生高品質(zhì)的阿秒亞周期激光脈沖，在活體組織細(xì)胞的阿秒光譜學(xué)、超快分子操控和診斷、電子阿秒動(dòng)態(tài)度量、拍赫茲超高頻率信號(hào)處理等應(yīng)用研究中產(chǎn)生重要影響。

此外，該工作開發(fā)了國內(nèi)首個(gè)遠(yuǎn)場時(shí)域相干輻射的并行計(jì)算程序，解決了傳統(tǒng)模擬方法中數(shù)值色散、近遠(yuǎn)場變換噪聲等瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了高頻輻射的高時(shí)空分辨自洽模擬，也為新型相干輻射源的開發(fā)提供了新的技術(shù)方法。 該成果是深圳技術(shù)大學(xué)高能量密度物理研究團(tuán)隊(duì)繼2021年12月和2023年5月發(fā)表《物理評論快報(bào)》之后，在電子束驅(qū)動(dòng)相干輻射產(chǎn)生方面取得的又一項(xiàng)重要突破。

值得一提的是，葡萄牙科學(xué)家與該團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)提出了類似的物理機(jī)制和方案，相關(guān)工作被《自然》旗下期刊《Nature Photonics》接收。 本研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組建項(xiàng)目以及深圳市優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目的資助與支持。相關(guān)模擬工作在深圳技術(shù)大學(xué)先進(jìn)材料測試技術(shù)研究中心的近千萬億次／秒超算仿真模擬平臺(tái)上完成。









審核編輯：劉清