深技大科研团队首次提出基于超光速等离子体尾波场产生阿秒脉冲的方案

近日，深圳技术大学阮双琛教授和周沧涛教授团队在国际上首次提出基于超光速等离子体尾波场产生阿秒脉冲、亚周期相干光激波辐射的物理方案，并阐释了一种由电子集体作用主导的全新相干辐射产生机制。

研究成果以“Coherent subcycle optical shock from a superluminal plasma wake”为题在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表。团队助理教授彭浩为论文第一作者，黄太武教授、周沧涛教授和阮双琛教授为论文共同通讯作者。

电磁波辐射在我们生活中随处可见，与我们的生活息息相关，比如可见光波段的太阳光、灯光，微波波段的手机和WIFI信号，极紫外波段的***光源和高能波段的X射线等等。

然而自然界的光大多都是非相干光，它们具有复杂的频率、很宽的空间指向和混乱的相位。上世纪60年代人类发明了第一个相干光源—激光。

对于相干光，由于其所包含的各光谱成分具有相干性，各成分的相位差是固定的，因此可以实现光脉冲的调制和压缩，从而获得持续时间极短、峰值功率极高的相干光源。

激光这种相干光源问世不久就变得无处不在了，从科研、工业和军事到通讯、娱乐和艺术，以及我们的日常生活，处处都可以看到激光的重要应用。

激光技术的发展及其应用也催生了多项诺贝尔奖，比如2018年的诺贝尔物理学奖颁给了发明啁啾脉冲激光放大技术的Gerard Mourou和Donna Strickland教授，该技术使得激光亮度（功率密度）提升约10个数量级，超过太阳光亮度约21个数量级；而今年的诺贝尔物理学奖则授予了阿秒脉冲光的发明者Pierre Agostini、Ferenc Krausz以及Anne L’Huillier教授，他们发明了一种产生阿秒脉冲光的方法，这种光脉冲非常短，足以捕获原子和分子内部演变的图像。

（a）自然界的光源；（b）人类创造的相干光源－激光；（c）超音速飞机引起的声激波；（d）辐射源产生激波的原理示意图。

相干光源产生的关键是锁相，即让每个参与辐射的微观粒子之间的相位相同，激光的产生就是基于爱因斯坦提出的受激辐射原理，即粒子数反转的原子会释放出同入射光子相位一致的出射光子；而自由电子激光这种超大科学装置是基于电子束的微聚束效应，从而保证每个电子的运动相位一致。

在自然界中，存在着另外一种波的锁相机制——激波。例如，当超音速飞机飞行速度超过空气中的音速时会产生声激波，这是因为飞机头部在不同时刻产生的声波以球形波前向外扩散时，沿着一个特殊角度（契伦科夫角度）的相位前沿是锁定的。

同理，如果让辐射源超过光速，就可以产生一种新的相干电磁波辐射——光激波。然而让同一辐射源在真空中超光速是不可能的，因为狭义相对论告诉我们任何物体的运动都不可能“超光速”。

近年来，深圳技术大学研究团队正大力推进国内高校首个大型超强激光综合实验平台（高功率纳秒－皮秒－飞秒激光装置）——辰光系列装置建设。该平台的一个重要研究方向就是研发新型相干辐射光源并开展相关应用研究。

近期，该团队从相干辐射基本原理出发，提出了一种基于电子集体作用的全新相干辐射机制：通过相对论电子束与具有缓变上升密度梯度的等离子体相互作用，可以激发一个尺寸逐渐变小的等离子体空泡（空泡尺寸与等离子体密度成负相关），不同位置处的等离子体电子在空泡尾端反弹并在此辐射，由于空泡纵向尺寸逐渐缩小，其尾端前进的集体速度大于驱动电子束速度（接近光速），达到“超光速”条件，因而不同电子在此处产生的辐射沿着契伦科夫角度相干叠加形成光激波。

该辐射光源具有非常独特的性质：不仅脉冲宽度极短，达到阿秒尺度，并且强度很高，与传播距离的平方成正比，同时具有极佳的空间指向性、极小的角散、稳定的载波包络相位和超宽的频率调谐范围。

（a）相对论电子束打到等离子体中在空泡尾端产生光激波的示意图；（b）大型超算数值模拟中看到的超光速空泡尾端的光激波辐射。

上述工作阐释了一种电子束驱动的全新相干辐射机制，突破了经典相干辐射理论中要求电子束尺寸远小于辐射波长的限制。同时，该工作为相干光源产生提供了一种简单可行的物理实验方案，有望在台面尺寸上产生高品质的阿秒亚周期激光脉冲，在活体组织细胞的阿秒光谱学、超快分子操控和诊断、电子阿秒动态度量、拍赫兹超高频率信号处理等应用研究中产生重要影响。

此外，该工作开发了国内首个远场时域相干辐射的并行计算程序，解决了传统模拟方法中数值色散、近远场变换噪声等瓶颈问题，实现了高频辐射的高时空分辨自洽模拟，也为新型相干辐射源的开发提供了新的技术方法。 该成果是深圳技术大学高能量密度物理研究团队继2021年12月和2023年5月发表《物理评论快报》之后，在电子束驱动相干辐射产生方面取得的又一项重要突破。

值得一提的是，葡萄牙科学家与该团队几乎同时提出了类似的物理机制和方案，相关工作被《自然》旗下期刊《Nature Photonics》接收。 本研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、深圳市重点实验室组建项目以及深圳市优秀青年基金项目的资助与支持。相关模拟工作在深圳技术大学先进材料测试技术研究中心的近千万亿次／秒超算仿真模拟平台上完成。









审核编辑：刘清