清华鲁巍团队“相对论光子减速器”方案有望产生超强单周期中红外光源

8月1日，清华大学工程物理系陆伟教授课题组在《自然光子学:2016 IF 37.8》杂志上发表的“相对论光子延迟器”理论论文被选为该刊8月的封面论文(图1)。本文题为“调节等离子体结构产生相对论强度和单周期可调谐红外脉冲”(单周期可调谐脉冲由定制的等离子体密度结构产生)，系统阐述了一种基于等离子体“光子减速”机制产生相对论强度可调谐超快红外激光脉冲的新方案。该方案创造性地使用具有特定“三明治”结构的等离子体作为非线性光学器件(“光子减速器”)，以极高的效率将公共波长约为0.8-1μm的超快超强激光脉冲转换成波长在5-14μm范围内可调的相对论光强近单周期飞秒红外激光脉冲。该方案得到了自然光子学评论家的高度评价，并且一致认为该方案是高度可行的，并将在最近的实验中得到验证。然而，这也将填补超快超强激光光源在该波长范围内的长期空白，开辟相对论红外激光非线性光学的新研究领域，并为超强激光在阿秒科学、超快化学、强场物理、新型加速器和光源等领域的应用带来新的机遇。

图1激光等离子体的“光子减速”产生超强中红外脉冲(自然光子学八月封面)

超快飞秒激光是一种奇特的存在。它的脉冲非常短(飞秒量级~10-15秒)，比微观水平的分子振动周期短。在1飞秒时间内，即使是光也只能穿过1%的细丝。自20世纪80年代以来，超快飞秒激光及其应用已经成为物理、化学等许多前沿研究领域的热点。在过去的20年里，两次诺贝尔奖被授予与飞秒激光相关的研究，这表明了飞秒超快激光在前沿科学研究中的重要性。1999年，哈迈德·H·泽维尔教授因使用超快激光观察飞秒时间尺度光化学反应而获得诺贝尔化学奖，开辟了超快化学研究的新领域。2005年，基于飞秒激光的“光梳”技术获得了诺贝尔物理学奖。使用“光梳”技术可以实现自然界许多基本物理量的超精细测量。例如，“光学梳”制造的最精确的时钟“光学原子钟”有望取代铯原子钟成为新的计时标准。

随着飞秒激光技术的迅速发展，人类对最短时间尺度的控制已经逐渐渗透到阿秒(约10-18 s)场，即原子中电子量子波包运动的时间尺度。2001年，通过控制飞秒强激光与原子相互作用产生的高次谐波，人们首次获得了阿秒时间长度的深紫外亚脉冲(650阿秒)，开启了阿秒脉冲产生和应用的新时代。用阿秒脉冲研究原子分子和凝聚态物质中的电子量子行为的科学被称为“阿秒科学”，是继“光学梳”之后量子光学领域的又一个重要热点！目前，人们能获得的最短脉冲是43阿秒长，仍然是自然原子每单位时间24阿秒长的近两倍(氢原子基态的电子轨道周期)，相应的光子波长在软x光波段。如何获得比自然原子单位时间更短的阿秒脉冲，以及如何进一步将阿秒脉冲的光子波长推到硬X射线波段，一直是阿秒脉冲研究中的两个关键挑战。然而，由于高次谐波产生机制的限制，现有的近红外波长(0.8-3.9μm)飞秒强激光遇到了技术瓶颈。原则上，只有使用波长更长(5-10μm)的近单周期飞秒强激光，才能有效地实现更短的阿秒脉冲和更短的光子波长(硬X射线)。此外，理论模拟表明，波长约为9μm的近单周期飞秒强激光甚至可以有效地产生小于1阿秒的脉冲结构，这意味着它有望将人类的可控时间尺度推进到8阿秒(~10-21秒)！遗憾的是，传统晶体非线性光学在产生波长大于5 μ m的飞秒近单周期强激光时面临着不可克服的挑战。由于缺乏相应的宽带非线性光学晶体，准单周期飞秒中红外强激光的波长长期停留在4μm以下。然而，这种限制也是目前限制阿秒科学发展到更短脉冲和更高光子能量的瓶颈。

另一方面，在飞秒激光的发展过程中，近十年来，具有相对论强度的超强飞秒激光及其应用发展迅速。其中，最具吸引力的应用热点是具有超高加速能力的激光尾流加速器。大型加速器，包括广泛用于粒子物理研究的对撞机或各种研究领域的高质量光源，是现代科学研究中至关重要的研究工具。它们通常复杂、昂贵且规模大(千米级)。然而，激光尾迹加速器有望将大型加速器和光源的尺寸缩小到普通实验室甚至桌面的尺寸，因为其加速度梯度超过传统加速器的1000倍。《自然》杂志将这种新的加速器技术描述为“等离子革命”，并在《2020年展望》中讨论了它的意义。相信激光尾迹加速将为激光和加速器在工业、科研和医疗中的应用带来革命性的变化。激光尾流加速的基本原理可以与“光速冲浪”相提并论:当飞秒超强激光以接近光速的速度在薄等离子体中传播时，它会留下一个与航行在水面上的船只相似的尾流(尾流)。像冲浪者一样，加速的带电粒子在尾流中被推动以接近光速的速度运动，不断从尾流中获得能量。由于尾流加速场比目前的加速器技术强几千到一万倍，所以在很小的距离就可以获得极高的能量，例如，一千米常规加速器的能量可以通过超过十厘米的尾流加速获得。

非常有趣的是，激光尾流作为一种“带电粒子加速器”，对激光本身来说是一种真正的“光子延迟器”。在激光激发尾波的过程中，激光通过能量损失产生尾波，激光光子本身的频率不断降低(波长变长)，其在等离子体中的等效速度(光子群速度)也不断降低，这就是所谓的“光子减速”机制。从另一个角度来看，这个过程实际上是等离子体中超强激光的非线性频率转换过程，与普通晶体或气体中的光学自相位调制非常相似。关键的区别在于等离子体是一种具有高灵活性的可定制介质，同时可以轻松支持超强光场。因此，特别设计的等离子体结构中的“光子减速”在产生长波长超强激光方面具有巨大的自然潜力。那么能否找到一种合适的结构来解决准单周期、波长大于5μm的超强中红外激光的产生问题，就成为一个值得探索的方向。如果能有所突破，它将成为典型的“异山之石可以攻玉”！基于这一期望，卢伟教授和白志浩副研究员指导博士生聂赞进行了系统的理论分析和大规模的并行粒子模拟研究，发现了一种基于“三明治”等离子体结构的新方案。在该方案中，通过激光在“三明治”等离子体结构中的“光子减速”(图2)，可以高效率地产生波长范围为5-14μm的相对论光强可调的近单周期飞秒红外脉冲。大型三维粒子模拟系统验证了该方案的物理可行性。

图2“三明治”等离子体结构密度分布(a)和单周期超强红外脉冲(中心波长12μm)及其光谱(d)

陆伟教授和白志浩副研究员是本文的交流作者，2012级工程物理系博士生聂赞是第一作者。本研究得到了国家自然科学基金项目11425521(解清项目)、11535006(重点项目)、11475101、11775125和科技部973项目2013CBA01501的资助。模拟工作在神威太湖超级计算机上完成。

卢伟教授在2007年获得了激光加速领域的第一个约翰·道森奖，并在2014年获得了国际纯粹与应用物理学联合会的年度青年科学家奖。他是世界上第一位获奖的学者，也是亚洲第一位获奖的等离子体物理学家。

期刊名称:自然光子学(2016年影响因子37.8)

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

(供稿:颜佳)