清華工物系魯巍教授課題組“相對(duì)論光子減速器”方案被選為《自然·光子學(xué)》封面論文

清華新聞網(wǎng)8月3日電 8月1日，清華大學(xué)工程物理系魯巍教授課題組在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics：2016 IF 37.8）期刊上發(fā)表的“相對(duì)論光子減速器”理論論文被選為該雜志8月份的封面論文（圖1）。該論文題為《調(diào)控等離子體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)論光強(qiáng)、單周期可調(diào)諧紅外脈沖》（Relativistic, single-cycle tunable infrared pulses generated from a tailored plasma density structure），系統(tǒng)闡述了一種基于等離子體“光子減速”機(jī)制產(chǎn)生相對(duì)論光強(qiáng)可調(diào)諧超快紅外激光脈沖的全新方案。該方案開創(chuàng)性地利用特定“三明治”結(jié)構(gòu)等離子體作為非線性光學(xué)器件（“光子減速器”），將普通波長(zhǎng)約0.8-1μm的超快超強(qiáng)激光脈沖以極高的效率轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)在5-14μm范圍內(nèi)可調(diào)諧的相對(duì)論光強(qiáng)近單周期飛秒紅外激光脈沖。該方案獲得了《自然·光子學(xué)》評(píng)閱人的高度評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為方案具有高度可行性，將能夠在近期實(shí)驗(yàn)中獲得驗(yàn)證。而這也將填補(bǔ)長(zhǎng)期以來該波長(zhǎng)范圍內(nèi)超快超強(qiáng)激光光源的空白，開辟相對(duì)論紅外激光非線性光學(xué)的全新研究領(lǐng)域，并為超強(qiáng)激光在阿秒科學(xué)、超快化學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)物理、新加速器與光源等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來全新的機(jī)遇。

圖1  激光等離子體“光子減速”產(chǎn)生超強(qiáng)中紅外脈沖（Nature Photonics 8月封面論文）

超快飛秒激光是一種奇特的存在，它脈沖極短（飛秒量級(jí) ~10^-15 s），比微觀上分子振動(dòng)的周期還短。在1飛秒時(shí)間內(nèi)，即使是光也只能走一根頭發(fā)絲的百分之一的距離。自上個(gè)世界80年代以來，超快飛秒激光及其應(yīng)用就成為物理與化學(xué)等眾多前沿研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，過去20年間就有兩次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了飛秒激光相關(guān)研究。1999年，艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H. Zewail）教授因利用超快激光觀察到飛秒時(shí)間尺度的光化學(xué)反應(yīng)過程被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，開辟了超快化學(xué)研究的新領(lǐng)域。2005年，基于飛秒激光的“光梳”技術(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。利用“光梳”技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界諸多基本物理量的超精細(xì)測(cè)量，例如由“光梳”產(chǎn)生的最精確的時(shí)鐘“光學(xué)原子鐘”有望取代銫原子鐘成為新的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著飛秒激光科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類對(duì)于最短時(shí)間尺度的操控逐漸深入到了阿秒（~10^-18 s）領(lǐng)域，即原子中電子量子波包運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度。2001年，通過對(duì)飛秒強(qiáng)激光與原子作用產(chǎn)生高次諧波的操控，人們首次獲得了具有阿秒時(shí)間長(zhǎng)度的深紫外光子脈沖（650阿秒），開啟了阿秒脈沖產(chǎn)生與應(yīng)用的新時(shí)代，而利用阿秒脈沖研究原子分子及凝聚態(tài)物質(zhì)中電子量子行為的科學(xué)則被稱為“阿秒科學(xué)”，這是繼“光梳”之后量子光學(xué)領(lǐng)域的又一重要熱點(diǎn)！目前，人們能夠獲得的最短脈沖長(zhǎng)43阿秒，依然比自然原子單位時(shí)間24阿秒（氫原子基態(tài)電子軌道周期）長(zhǎng)近一倍，相應(yīng)的光子波長(zhǎng)在軟X射線波段。如何獲得短于自然原子單位時(shí)間的阿秒脈沖，以及將阿秒脈沖光子波長(zhǎng)進(jìn)一步推進(jìn)至硬X射線波段，一直以來是阿秒脈沖研究的兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

然而由于高次諧波產(chǎn)生機(jī)理的限制，利用現(xiàn)有近紅外波長(zhǎng)（0.8-3.9μm）飛秒強(qiáng)激光已經(jīng)遇到技術(shù)瓶頸，原理上需要更長(zhǎng)波長(zhǎng)（5-10μm）的近單周期飛秒強(qiáng)激光才能有效的實(shí)現(xiàn)更短阿秒脈沖，以及更短光子波長(zhǎng)（硬X射線）的目標(biāo)。而且理論模擬顯示，9μm左右波長(zhǎng)的近單周期飛秒強(qiáng)激光甚至能夠有效產(chǎn)生小于1阿秒的脈沖結(jié)構(gòu)，也就是說有望將人類可操控時(shí)間尺度推進(jìn)到仄秒（~10^-21 s）范疇！遺憾的是，在產(chǎn)生5μm以上波長(zhǎng)的飛秒近單周期強(qiáng)激光方面，傳統(tǒng)晶體非線性光學(xué)的思路遇到難以逾越的挑戰(zhàn)。由于缺乏相應(yīng)的寬帶非線性光學(xué)晶體，長(zhǎng)期以來準(zhǔn)單周期飛秒中紅外強(qiáng)激光的波長(zhǎng)一直止步于4μm以下。而這一限制，也是當(dāng)前制約阿秒科學(xué)向更短脈沖及更高光子能量邁進(jìn)的瓶頸所在。

在飛秒激光發(fā)展的另一方面，具有相對(duì)論光強(qiáng)的超強(qiáng)飛秒激光及其應(yīng)用在過去十年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而其中最具吸引力的應(yīng)用熱點(diǎn)是具有超高加速能力的激光尾波加速器。大型加速器包括廣泛用于粒子物理研究的對(duì)撞機(jī)或各科研領(lǐng)域的高品質(zhì)光源，是現(xiàn)代科學(xué)研究至關(guān)重要的研究工具。它們往往復(fù)雜昂貴且規(guī)模巨大（千米尺度）。而激光尾波加速器因其超出傳統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室甚至桌面規(guī)模。《自然》雜志以“等離子體革命”來形容這種新型加速器技術(shù)，并在其“2020展望”中專題論述其重要意義，認(rèn)為激光尾波加速將為激光與加速器在工業(yè)、科研和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來革命性的變化。

非常有趣的是，激光尾波作為“帶電粒子加速器”的同時(shí)，對(duì)于激光自身而言卻是一個(gè)不折不扣的“光子減速器”。激光通過能量損失產(chǎn)生尾波，而激光自身光子的頻率不斷下降（波長(zhǎng)變長(zhǎng)），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(jī)制。換一個(gè)角度看，這個(gè)過程其實(shí)也是超強(qiáng)激光在等離子體中的一個(gè)非線性頻率變換過程，與常見的晶體或氣體中的光學(xué)自相位調(diào)制極其類似。而關(guān)鍵的不同在于等離子體是一個(gè)具有高度靈活性的可定制介質(zhì)，同時(shí)又能夠輕易支撐超強(qiáng)光場(chǎng)，因此特定設(shè)計(jì)的等離子體結(jié)構(gòu)中的“光子減速”在產(chǎn)生長(zhǎng)波長(zhǎng)超強(qiáng)激光方面具有天然的巨大潛力。那么能否找到一種合適的結(jié)構(gòu)，解決5μm以上波長(zhǎng)準(zhǔn)單周期超強(qiáng)中紅外激光的產(chǎn)生難題，就成為了一個(gè)非常值得探索的方向。如果能夠有所突破，就會(huì)成為典型的 “他山之石可以攻玉”！帶著這個(gè)期待，魯巍教授與白植豪副研究員指導(dǎo)博士生聶贊深入開展了系統(tǒng)的理論分析與大型并行粒子模擬研究，找到了一個(gè)基于“三明治”等離子體結(jié)構(gòu)的全新方案。在該方案中，通過激光在一個(gè)“三明治”型等離子體結(jié)構(gòu)中的“光子減速” （圖 2），波長(zhǎng)在5-14μm范圍內(nèi)可調(diào)諧的具有相對(duì)論光強(qiáng)的近單周期飛秒紅外脈沖就能夠以很高的效率被產(chǎn)生出來。

圖 2 “三明治”型等離子體結(jié)構(gòu)密度分布（a）與單周期超強(qiáng)紅外脈沖（12μm中心波長(zhǎng)）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(jí)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(xué)基金項(xiàng)目以及科技部A類973項(xiàng)目支持。模擬工作在神威太湖計(jì)算機(jī)上完成。

魯巍教授2007年獲得激光加速領(lǐng)域首屆約翰·道森（John Dawson）獎(jiǎng)，并于2014年獲得國(guó)際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)IUPAP年度青年科學(xué)家獎(jiǎng)，是世界首位獲得該獎(jiǎng)的從事激光等離子體及加速器物理研究的學(xué)者，也是亞洲首位獲獎(jiǎng)的等離子體物理學(xué)家。

論文鏈接：

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

供稿：工物系 編輯：襄楠