上海交大团队等离子体强光调制器研究获重要进展

      近日,上海交通大学物理与天文系於陆勒、盛政明以及合作者提出了一种基于等离子体介质的超快全光调制器,能够快速地调制强光的频谱和时空特性的方法,相关研究成果近期发表在Nature Communications [Lu-Le Yu et al., Nat. Commun. 7, 11893 (2016)]上,论文题目为:“Plasma optical modulators for intense lasers”。
         

      强激光与物质的作用的效应非常依赖于激光场的时空特性,因此调控强激光脉冲的时空特性就可以在很大程度上调控强激光与物质的相互作用,这对很多应用极为重要。当激光光强大于一定幅度时,普通物质被光场电离后形成等离子体。这时强激光与物质的作用就变成了激光与等离子体的作用。由于等离子体没有激光损伤阈值、可以通过塑造一定的时空密度结构,使其成为一种新型的独一无二的光学介质,用于对强激光进行调控。目前人们已经提出或者利用等离子体反射镜、等离子体光栅、等离子体透镜、等离子体通道、等离子体拉曼放大器等来操控强激光脉冲,但这些都难以用来实现对强光的频谱进行深度调制。传统的光调制器是高速光通信和集成光学的关键器件,被广泛用来实现对光信号的振幅、频率、相位和偏振状态的调制。但这类调制器的调制速度目前仅限于100GHz量级(相应地调制频谱较窄),而且光损伤阈值很低,例如最新的掺氧化镁铌酸锂电光调制器能承受的最大激光强度在102 W cm-2量级,难以用来对强光进行调制。
      最近,激光等离子体教育部重点实验室/IFSA协同创新中心的於陆勒、盛政明及合作者在等离子体强光调制器研究上取得重要突破,研究团队先用一束具有弱相对论光强的超短飞秒激光脉冲在亚毫米尺度的稀薄气体中激发起一种电子等离子体波(类似于船在水中航行时留下的尾迹)。该等离子体波跟随激光脉冲以接近真空中光速的相速度传播,其特征振荡频率在THz量级。当另外一束有一定时间延迟的、同向传播的皮秒信号脉冲传输到等离子体波区域时,它的振幅和频率能够快速地被等离子体波同时调制,产生具有非常大的频谱带宽脉冲列,其低频部分甚至能延伸至中红外波段。这种等离子体调制器能够承受的激光脉冲强度可比传统的弱光调制器的光强阈值高十几个数量级,调制速度快1-2个数量级。由于实现等离子体调制器所需的激光条件已经可以通过商品化激光器获得,它有望成为一种新型的等离子体光子器件,在强THz辐射产生、超亮X射线产生和激光聚变领域获得应用。
         

      本工作得到了国家科技部重点基础研究发展计划和国家自然科学基金项目的资助。主要数值计算在上海交通大学高性能计算中心的π超级计算机上完成。

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