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光学工程
等离子体强光调制器

强激光与物质相互作用表现出的效应十分依赖于激光场的时空特性,调节强激光脉冲的时空特性可以在很大程度上操控强激光与物质间的相互作用,这对于光学调控在很多方面的应用极为重要。

通常,当激光光强超过一定值时,普通物质会在光场作用下发生电离形成等离子体。这时强激光与物质间的相互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,且可以通过塑造使其形成一定的时空密度结构,因而可将其作为一种新型的光学介质,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激光频谱的深度调制。

上海交通大学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、盛政明等人提出了一种基于等离子体介质的超快全光调制器。它不但能够快速地调制强光的频谱和时空特性,而且频谱调制范围也得到了极大扩充。该工作近期发表在Nature Communications [7, 11893 (2016)]上。

图1等离子体强光调制器示意图

该调制器的设计方案如图所示,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同时快速地被等离子体波所调制,由此产生具有较大频谱带宽的脉冲列,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,而调制速度与之相比可快1-2个数量级。

由于实现这一方案所需的激光条件已经可以通过商品化激光器获得,因此该等离子体调制器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。


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