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深圳系统芯片设计重点实验室在《自然·通讯》杂志发表论文
2018年11月27日 点击率:

2018年11月26日,《自然·通讯》杂志在线发表题为“Spectral interferometry with waveform-dependent relativistic high-order harmonics from plasma surfaces”的论文,研究超强脉冲激光与等离子体的相对论作用产生阿秒脉冲前沿内容。  深港产学研基地北京大学深圳系统芯片设计重点实验室马光金博士与德国马普量子光学所Dmitrii Kormin、Antonin Borot为该文章的并列第一作者,瑞典于默奥大学Laszlo Veisz教授为文章的通讯作者。

 

超强激光脉冲与等离子体的相对论相互作用产生高次谐波和对应的阿秒脉冲。如图所示为实验使用的玻璃靶,每发激光脉冲损伤光滑玻璃靶表面的一小块区域,形成一个个“小坑”。左侧的红色斑点显示激光脉冲焦斑与等离子体发生相互作用的位置。

对自然界超快物理过程的研究需要越来越短的光脉冲。迄今为止世界上最先进的技术是使用激光与气体介质相互作用产生激光高次谐波来合成脉冲长度为阿秒量级(1阿秒等于10的负18次方秒,对应原子和分子中电子运动的时间尺度)的光脉冲。另一种可能的路线是使用电离的固体表面(也称作等离子体镜)产生高次谐波来获得阿秒脉冲。前一种技术较为成熟,而后一种技术的主要优点是能够利用超高峰值功率的激光产生高亮度的阿秒脉冲。与前者相比,通过这种方式产生的阿秒脉冲,能量可以高几个数量级,是提高阿秒脉冲光源的光子能量、光子数目和脉冲时间性能的最具潜力的方式,尤其在产生相对论强度的阿秒脉冲光源应用中不可或缺。这种方式产生的高能量阿秒光源有望满足未来阿秒极紫外非线性光学中“极紫外泵浦—极紫外探测”实验对光源能量的超高要求。到目前为止,主要确认有三种机制可以在等离子体镜表面产生高次谐波:当激光强度小于相对论激光强度时(小于10的18次方瓦每平方厘米)的尾波辐射机制(CWE),当激光强度远大于相对论激光强度时的相对论振镜机制(ROM),以及相干同步辐射机制(CSE)或者也叫相对论电子弹簧模型(RES)。

从应用的角度讲,分立单个的阿秒脉冲比阿秒脉冲链更有用途。因此,针对多周期驱动激光脉冲,人们提出了不同的“偏振门”技术,这些技术通常伴随较高的强度损耗和较低的能量转换效率。当高对比度少周期强激光技术出现以后,人们可以直接使用“强度门”方案选择单个的阿秒脉冲。此前,人们已经通过实验证实尾波辐射机制产生的高次谐波对载波包络相位的依赖关系及其载波相位控制技术;并通过倾斜少周期强激光脉冲的波前来产生向不同方向传播的多路分立单个的阿秒脉冲。虽然人们也预期少周期激光驱动的高次谐波与激光电场波形相关,但是相对论情形下的高次谐波产生过程对激光载波包络相位的依赖关系,以及此种情形下的分立单个阿秒脉冲从未被实验证实。

该文实验研究了由两周期激光脉冲驱动相对论等离子体镜产生依赖于激光电场波形的高次谐波,为相对论情形下高次谐波锁相形成分立单个的阿秒脉冲提供了实验证据。通过光谱干涉分析的方法理解高次谐波的相对论产生过程,从而揭示了从未观测到的时间空间信息:例如少脉冲阿秒脉冲链中各脉冲的光谱,各脉冲之间的光谱相位差、时间间隔,分立脉冲的对比度,以及场驱动等离子体表面的运动。实验还同时测量激光脉冲的电场波形,所以实验结果也揭示了相对论激光与等离子体相互作用对激光载波包络相位的依赖关系。

两周期激光脉冲驱动产生的极紫外光谱对激光载波包络相位的依赖关系。上图:实验测量结果;下图:粒子模拟结果。

 

三个不等间距光脉冲的光谱干涉原理。(a)三个不同光谱幅度、不等间距阿秒脉冲形成的调制光谱。(b)对光谱进行傅里叶变换的结果。(c)各两脉冲对的对应光谱。(d)各两脉冲对之间的相位差。(e)重构得到各阿秒脉冲的光谱与其对应的真实光谱的比较。(f)重构得到各阿秒脉冲的时间结构与其对应的真实时间结构的比较。

 

该项研究受到德国研究基金会TR18项目、慕尼黑高级光子学项目、欧盟聚变团体框架项目、欧盟原子能机构研究和培训项目2014-2018(633053)等项目支持。 Laszlo Veisz教授受到瑞典研究基金会支持(2016-05409),马光金博士受到中国博士后科学基金项目(2017M622015)支持,Márk Aladi和István B. Földes受到欧洲激光实验室项目MPQ00219支持。

原文链接:https://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07421-5

 相关链接:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07421-5

 

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