深技大科研團隊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隊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。團隊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，微波波段的手機和WIFI信號，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，因此可以實現(xiàn)光脈沖的調(diào)制和壓縮，從而獲得持續(xù)時間極短、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)用也催生了多項諾貝爾獎，比如2018年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了發(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個數(shù)量級，超過太陽光亮度約21個數(shù)量級；而今年的諾貝爾物理學(xué)獎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)，從而保證每個電子的運動相位一致。

在自然界中，存在著另外一種波的鎖相機制——激波。例如，當(dāng)超音速飛機飛行速度超過空氣中的音速時會產(chǎn)生聲激波，這是因為飛機頭部在不同時刻產(chǎn)生的聲波以球形波前向外擴散時，沿著一個特殊角度（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，因為狹義相對論告訴我們?nèi)魏挝矬w的運動都不可能“超光速”。

近年來，深圳技術(shù)大學(xué)研究團隊正大力推進國內(nèi)高校首個大型超強激光綜合實驗平臺（高功率納秒－皮秒－飛秒激光裝置）——辰光系列裝置建設(shè)。該平臺的一個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，該團隊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，其尾端前進的集體速度大于驅(qū)動電子束速度（接近光速），達到“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特的性質(zhì)：不僅脈沖寬度極短，達到阿秒尺度，并且強度很高，與傳播距離的平方成正比，同時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)動的全新相干輻射機制，突破了經(jīng)典相干輻射理論中要求電子束尺寸遠小于輻射波長的限制。同時，該工作為相干光源產(chǎn)生提供了一種簡單可行的物理實驗方案，有望在臺面尺寸上產(chǎn)生高品質(zhì)的阿秒亞周期激光脈沖，在活體組織細胞的阿秒光譜學(xué)、超快分子操控和診斷、電子阿秒動態(tài)度量、拍赫茲超高頻率信號處理等應(yīng)用研究中產(chǎn)生重要影響。

此外，該工作開發(fā)了國內(nèi)首個遠場時域相干輻射的并行計算程序，解決了傳統(tǒng)模擬方法中數(shù)值色散、近遠場變換噪聲等瓶頸問題，實現(xiàn)了高頻輻射的高時空分辨自洽模擬，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隊繼2021年12月和2023年5月發(fā)表《物理評論快報》之后，在電子束驅(qū)動相干輻射產(chǎn)生方面取得的又一項重要突破。

值得一提的是，葡萄牙科學(xué)家與該團隊幾乎同時提出了類似的物理機制和方案，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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、深圳市重點實驗室組建項目以及深圳市優(yōu)秀青年基金項目的資助與支持。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上完成。









審核編輯：劉清