由于受传统非线性光学材料的限制，在中红外波段产生大能量、高强度、少周期的超短脉冲仍然是制约超快光科学技术发展的重大挑战之一。近日，上海交通大学翁苏明和盛政明团队提出利用等离子体对强激光调制产生脉冲能量达到数毫焦、脉冲宽度接近单周期、聚焦强度达到相对论光强的中红外光脉冲的新方案，为解决这个重大挑战提供了新的思路和方向。该方案可利用现有波长0.8微米的千赫兹高重复频率激光系统来驱动，产生中心波长达到5微米左右并具有可调谐性的中红外脉冲，其能量转换效率高达30%。这种超强近单周期中红外脉冲在超快科学、阿秒物理、先进加速器等领域具有广泛潜在应用前景。相关成果在近日以“Efficient generation of relativistic near-single-cycle mid-infrared pulses in plasmas”为题，在线发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。论文第一作者是上海交通大学博士生朱兴龙，通讯作者为翁苏明研究员和盛政明教授。
莫罗（Gerard Mourou）和斯特里克兰（Donna Strickland）于1985年发明的啁啾脉冲放大技术使得激光脉冲峰值功率得到了极大提高，并使得激光强度达到了相对论强度范畴。由于该技术根本性地促进了高功率飞秒激光在基础科学、工业、医疗等领域的广泛应用，上述两位科学家被授予了2018年诺贝尔物理学奖。但是，利用该技术产生的超短脉冲激光的工作波长主要局限在0.8微米左右的近红外波段，这极大地限制了光与物质相互作用的研究和应用范围。如果能够将工作波长拓展到中红外波段（2-20微米）的话，超短脉冲强激光将会在基础物理研究、材料科学、分子生物等领域获得广泛的应用。同时，超短超强中红外激光脉冲的产生还将开启该波段的相对论非线性光学，为高效率产生阿秒甚至仄秒脉冲、高次谐波辐射、多维红外光谱学、新型粒子加速器等研究提供一种全新的手段。
图一： 基于等离子体光学调制器产生近单周期中红外脉冲的原理示意图。（a）原理示意图；（b）三维数值模拟结果图。
图二： 相对论近单周期中红外脉冲产生的数值模拟验证。（a-c）驱动激光脉冲激发的等离子体尾波及调制的信号激光脉冲随相互作用长度的演化图； （d）在等离子体尾波中调制的信号光脉冲光谱分布随相互作用距离的演化图。
在这项研究工作中，研究团队提出了一种全新的基于激光等离子体尾波调制器方案，高效地产生数毫焦、相对论强度、近单周期的中红外光脉冲。相比于传统光学晶体材料，等离子体可以承受极高功率和强度的激光脉冲，因此，基于等离子体光学方法为产生具有极高能量密度的中红外波段超短超强激光脉冲提供了可能。该方案利用了两路具有一定时间延迟的太瓦级相对论短脉冲激光，将其入射到气体密度等离子体通道中，它们的中心波长均为0.8微米左右。其中一路作为驱动激光，用于在等离子体通道中产生被称为激光尾场的电子等离子体波，该等离子体波出现在驱动光脉冲后面，并呈现为以近光速运动的稳定的一串密度空泡结构。通过控制适当的延迟时间，使另一路信号光脉冲被加载到第二密度空泡结构的头部位置。该信号脉冲受到等离子体波的调制，其频率发生快速的下移。经过2毫米左右的作用距离后即达到了充分地调制，被有效地转化成中心波长约为5微米的近单周期的中红外光脉冲，其转化效率高达30%左右。通过改变入射激光脉冲或等离子体的参数，可以调节最终获得的中红外脉冲参数，包括脉冲能量、中心波长、光周期数、载波相位、偏振态等。该方案所采用的驱动激光脉冲和信号光脉冲的能量分别为50多毫焦和10多豪焦，这类激光脉冲已经可以在千赫兹重复频率的激光系统上实现，由此提供了一种稳定可靠而高效的方法来产生数毫焦、相对论强度、近单周期的中红外光脉冲，为这类光脉冲的广泛应用创造条件。据悉，本论文的核心概念目前已提交申请了中国发明专利。该项工作得到了国家自然科学基金、挑战计划专题等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0282-3
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