清華工物系魯巍教授課題組「相對論光子減速器」方案被選為《自然...

清華工物系魯巍教授課題組「相對論光子減速器」方案被選為《自然·光子學》封面論文

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清華新聞網8月3日電 8月1日，清華大學工程物理系魯巍教授課題組在《自然·光子學》（Nature Photonics：2016 IF 37.8）期刊上發表的「相對論光子減速器」理論論文被選為該雜誌8月份的封面論文（圖1）。該論文題為《調控等離子體結構產生相對論光強、單周期可調諧紅外脈衝》（Relativistic, single-cycle tunable infrared pulses generated from a tailored plasma density structure），系統闡述了一種基於等離子體「光子減速」機制產生相對論光強可調諧超快紅外雷射脈衝的全新方案。該方案開創性地利用特定「三明治」結構等離子體作為非線性光學器件（「光子減速器」），將普通波長約0.8-1μm的超快超強雷射脈衝以極高的效率轉化為波長在5-14μm範圍內可調諧的相對論光強近單周期飛秒紅外雷射脈衝。該方案獲得了《自然·光子學》評閱人的高度評價，一致認為方案具有高度可行性，將能夠在近期實驗中獲得驗證。而這也將填補長期以來該波長範圍內超快超強雷射光源的空白，開闢相對論紅外雷射非線性光學的全新研究領域，並為超強雷射在阿秒科學、超快化學、強場物理、新加速器與光源等領域的應用帶來全新的機遇。

圖1  雷射等離子體「光子減速」產生超強中紅外脈衝（Nature Photonics 8月封面論文）

超快飛秒雷射是一種奇特的存在，它脈衝極短（飛秒量級 ~10^-15 s），比微觀上分子振動的周期還短。在1飛秒時間內，即使是光也只能走一根頭髮絲的百分之一的距離。自上個世界80年代以來，超快飛秒雷射及其應用就成為物理與化學等眾多前沿研究領域的熱點，過去20年間就有兩次諾貝爾獎頒發給了飛秒雷射相關研究。1999年，艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H. Zewail）教授因利用超快雷射觀察到飛秒時間尺度的光化學反應過程被授予諾貝爾化學獎，開闢了超快化學研究的新領域。2005年，基於飛秒雷射的「光梳」技術獲得諾貝爾物理學獎。利用「光梳」技術可以實現對自然界諸多基本物理量的超精細測量，例如由「光梳」產生的最精確的時鐘「光學原子鐘」有望取代銫原子鐘成為新的計時標準。

隨著飛秒雷射科學技術的迅猛發展，人類對於最短時間尺度的操控逐漸深入到了阿秒（~10^-18 s）領域，即原子中電子量子波包運動的時間尺度。2001年，通過對飛秒強雷射與原子作用產生高次諧波的操控，人們首次獲得了具有阿秒時間長度的深紫外光子脈衝（650阿秒），開啟了阿秒脈衝產生與應用的新時代，而利用阿秒脈衝研究原子分子及凝聚態物質中電子量子行為的科學則被稱為「阿秒科學」，這是繼「光梳」之後量子光學領域的又一重要熱點！目前，人們能夠獲得的最短脈衝長43阿秒，依然比自然原子單位時間24阿秒（氫原子基態電子軌道周期）長近一倍，相應的光子波長在軟X射線波段。如何獲得短於自然原子單位時間的阿秒脈衝，以及將阿秒脈衝光子波長進一步推進至硬X射線波段，一直以來是阿秒脈衝研究的兩個關鍵挑戰。

然而由於高次諧波產生機理的限制，利用現有近紅外波長（0.8-3.9μm）飛秒強雷射已經遇到技術瓶頸，原理上需要更長波長（5-10μm）的近單周期飛秒強雷射才能有效的實現更短阿秒脈衝，以及更短光子波長（硬X射線）的目標。而且理論模擬顯示，9μm左右波長的近單周期飛秒強雷射甚至能夠有效產生小於1阿秒的脈衝結構，也就是說有望將人類可操控時間尺度推進到仄秒（~10^-21 s）範疇！遺憾的是，在產生5μm以上波長的飛秒近單周期強雷射方面，傳統晶體非線性光學的思路遇到難以逾越的挑戰。由於缺乏相應的寬帶非線性光學晶體，長期以來準單周期飛秒中紅外強雷射的波長一直止步於4μm以下。而這一限制，也是當前制約阿秒科學向更短脈衝及更高光子能量邁進的瓶頸所在。

在飛秒雷射發展的另一方面，具有相對論光強的超強飛秒雷射及其應用在過去十年取得了突飛猛進的發展，而其中最具吸引力的應用熱點是具有超高加速能力的雷射尾波加速器。大型加速器包括廣泛用於粒子物理研究的對撞機或各科研領域的高品質光源，是現代科學研究至關重要的研究工具。它們往往複雜昂貴且規模巨大（千米尺度）。而雷射尾波加速器因其超出傳統加速器千倍以上的超高加速梯度，有望將大型加速器與光源縮小到普通實驗室甚至桌面規模。《自然》雜誌以「等離子體革命」來形容這種新型加速器技術，並在其「2020展望」中專題論述其重要意義，認為雷射尾波加速將為雷射與加速器在工業、科研和醫療等領域的應用帶來革命性的變化。

非常有趣的是，雷射尾波作為「帶電粒子加速器」的同時，對於雷射自身而言卻是一個不折不扣的「光子減速器」。雷射通過能量損失產生尾波，而雷射自身光子的頻率不斷下降（波長變長），其在等離子體中的等效速度（群速度）也不斷變慢，這就是所謂的「光子減速」機制。換一個角度看，這個過程其實也是超強雷射在等離子體中的一個非線性頻率變換過程，與常見的晶體或氣體中的光學自相位調製極其類似。而關鍵的不同在於等離子體是一個具有高度靈活性的可定製介質，同時又能夠輕易支撐超強光場，因此特定設計的等離子體結構中的「光子減速」在產生長波長超強雷射方面具有天然的巨大潛力。那麼能否找到一種合適的結構，解決5μm以上波長準單周期超強中紅外雷射的產生難題，就成為了一個非常值得探索的方向。如果能夠有所突破，就會成為典型的 「他山之石可以攻玉」！帶著這個期待，魯巍教授與白植豪副研究員指導博士生聶贊深入開展了系統的理論分析與大型並行粒子模擬研究，找到了一個基於「三明治」等離子體結構的全新方案。在該方案中，通過雷射在一個「三明治」型等離子體結構中的「光子減速」 （圖 2），波長在5-14μm範圍內可調諧的具有相對論光強的近單周期飛秒紅外脈衝就能夠以很高的效率被產生出來。

圖 2 「三明治」型等離子體結構密度分布（a）與單周期超強紅外脈衝（12μm中心波長）及其光譜（d）

工物系魯巍教授與白植豪副研究員為本文通訊作者， 2012級工物系博士生聶贊為第一作者。本研究得到了基金委自然科學基金項目以及科技部A類973項目支持。模擬工作在神威太湖計算機上完成。

魯巍教授2007年獲得雷射加速領域首屆約翰·道森（John Dawson）獎，並於2014年獲得國際純粹與應用物理聯合會IUPAP年度青年科學家獎，是世界首位獲得該獎的從事雷射等離子體及加速器物理研究的學者，也是亞洲首位獲獎的等離子體物理學家。

論文連結：

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

供稿：工物系 編輯：襄楠