Исследовательская группа СЗТУ открыла новый механизм когерентного излучения в аттосекундных импульсах

Недавно команда профессоров Жуана Шуангчена и профессора Чжоу Цантао из Шэньчжэньского технологического университета (SZUT) впервые в мире предложила физическую схему генерации аттосекундных импульсов и субциклического когерентного оптического удара из сверхсветового плазменного хвостового поля. и объяснил новый механизм генерации когерентного излучения, в котором преобладает коллективное действие электронов. Результаты исследования были опубликованы в ведущем международном физическом журнале Physical Review Letters под заголовком «Когерентный субцикловый оптический удар от сверхсветового плазменного следа». Доцент Хао Пэн является первым автором статьи, а профессора Тайу Хуан, Цангтао Чжоу и Шуаншэнь Жуань — соавторами.
Электромагнитное волновое излучение можно увидеть повсюду в нашей жизни и оно тесно связано с нашей жизнью, например, солнечный свет и свет в видимом диапазоне, сотовые телефоны и сигналы Wi-Fi в микроволновом диапазоне, источники света для фотолитографии в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и рентгеновские лучи. в диапазоне высоких энергий. Однако большая часть света в природе представляет собой некогерентный свет, имеющий сложные частоты, очень широкую пространственную направленность и хаотичные фазы. Первый источник когерентного света — лазер — был изобретен в 1960-х годах. Для когерентного света из-за когерентности содержащихся в нем спектральных компонентов разность фаз каждого компонента фиксирована, поэтому можно реализовать модуляцию и сжатие световых импульсов, чтобы получить источник когерентного света с очень коротким длительность и очень высокая пиковая мощность.
Источники когерентного света, такие как лазеры, стали повсеместными вскоре после их появления, и важные применения лазеров можно найти повсюду: от научных исследований, промышленности и вооруженных сил до средств связи, развлечений и искусства, а также в нашей повседневной жизни. Развитие лазерных технологий и их применение также привело к получению ряда Нобелевских премий, таких как Нобелевская премия по физике 2018 года, присужденная Жерару Муру и профессору Донне Стрикленд за изобретение усиления лазера с чирпированными импульсами, которое увеличило лазерное усиление. яркость (плотность мощности) примерно на 10 порядков, превышающая яркость солнечного света примерно на 21 порядок; в то время как Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена Пьеру Агостини, Ференцу Краусу и профессору Анне Л'Юйе, изобретателям аттосекундных импульсов света, которые достаточно коротки, чтобы запечатлеть внутреннюю эволюцию атомов и молекул.

(а) Источник света в природе; (б) Источник когерентного света, созданный человеком – лазер; (c) Акустическое возбуждение, вызванное сверхзвуковым самолетом; (г) Принципиальная схема принципа генерации возбуждения источником излучения.
Ключом к генерации когерентных источников света является фазовая синхронизация, то есть, чтобы фаза между каждой микроскопической частицей, участвующей в излучении, была одинаковой, создание лазера основано на принципе вынужденного излучения, выдвинутом Эйнштейном. , то есть количество частиц, перевернутых атомов, будет выпущено с фазой падающего фотона, соответствующей падающим фотонам фотонов; и лазер на свободных электронах, такое меганаучное устройство основано на эффекте микроагрегации пучка электронов, который гарантирует, что движение каждого электрона находится в одной и той же фазе. В природе существует еще один механизм фазовой синхронизации волн — возбуждения. Например, акустические возбуждения генерируются, когда сверхзвуковой самолет движется со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе, поскольку фазовый фронт под определенным углом (угол Черенкова) синхронизирован по фазе, когда звуковые волны, генерируемые головной частью самолета в разные моменты времени распространяется наружу в виде сферического волнового фронта. Аналогично, если позволить источнику излучения превышать скорость света, может возникнуть новый тип когерентного электромагнитного волнового излучения — оптическое возбуждение. Однако невозможно заставить один и тот же источник излучения превышать скорость света в вакууме, поскольку специальная теория относительности говорит нам, что движение любого объекта не может «превышать скорость света».
В последние годы исследовательская группа Шэньчжэньского технологического университета активно продвигает создание первой крупномасштабной сверхинтенсивной лазерной комплексной экспериментальной платформы (мощного наносекундного-пикосекундного-фемтосекундного лазерного устройства) - серии устройств Chenguang в отечественных университетах. . Важным направлением исследований этой платформы является разработка нового источника света когерентного излучения и проведение соответствующих прикладных исследований. Недавно группа предложила новый механизм когерентного излучения, основанный на коллективном действии электронов, исходя из основного принципа когерентного излучения: посредством взаимодействия релятивистского электронного пучка с плазмой с медленно меняющимся восходящим градиентом плотности плазменная вакуоль постепенно уменьшение размера может стимулироваться (размер вакуоли отрицательно коррелирует с плотностью плазмы), а электроны плазмы в разных положениях отскакивают в конце вакуоли и излучают в конце вакуоли из-за продольного размера вакуоль. Электроны плазмы в разных местах отскакивают от конца пузыря и излучают туда. Поскольку продольный размер пузыря постепенно уменьшается, коллективная скорость его хвоста превышает скорость движущегося электронного луча (близка к скорости света), что обеспечивает состояние «сверхсветового», и, таким образом, излучение генерируемые здесь разные электроны когерентно накладываются, образуя оптические возбуждения вдоль черенковского угла. Источник радиационного света обладает уникальными свойствами: не только чрезвычайно короткая ширина импульса, достигающая аттосекундного масштаба, и очень высокая интенсивность, пропорциональная квадрату расстояния распространения, но также отличная пространственная направленность, очень малая угловая дисперсия. , стабильная фаза огибающей несущей и сверхширокий диапазон настройки частоты.

(а) Принципиальная схема релятивистского электронного пучка, падающего на плазму и генерирующего волну оптического возбуждения в хвостовом конце вакуоли; (б) Излучение оптической волны возбуждения в хвостовой части сверхсветящейся вакуоли, как это видно при большом численном суперкомпьютерном моделировании.
Вышеупомянутая работа иллюстрирует новый механизм когерентного излучения, управляемый электронным лучом, который разрушает ограничения классической теории когерентного излучения, которая требует, чтобы размер электронного пучка был намного меньше длины волны излучения. Между тем, эта работа обеспечивает простую и осуществимую физическую экспериментальную схему для генерации источника когерентного света, который, как ожидается, будет генерировать высококачественные аттосекундные субпериодические лазерные импульсы размером с столешницу, что окажет важное влияние на аттосекундную спектроскопию живых тканей и клеток. сверхбыстрые молекулярные манипуляции и диагностика, электронная метрология аттосекундной динамики, сверхвысокочастотная обработка сигналов частоты биения герца и другие прикладные исследования. Кроме того, в ходе этой работы была разработана первая в Китае программа параллельных вычислений для когерентного излучения во временной области в дальней зоне, решены узкие места численной дисперсии и шума преобразования в ближней и дальней зоне в традиционных методах моделирования, а также реализована высокая скорость - самосогласованное моделирование высокочастотного излучения с космическим разрешением, а также обеспечило новый технологический метод разработки новых источников когерентного излучения.
Этот результат является еще одним важным прорывом в области генерации когерентного излучения, управляемого электронным лучом, сделанным исследовательской группой по физике высокой плотности энергии Шэньчжэньского технологического университета после публикаций в декабре 2021 года и мае 2023 года в Physical Review Letters. Стоит отметить, что португальские ученые предложили аналогичный физический механизм и схему почти одновременно с командой, и соответствующая работа была принята журналом Nature Photonics, выпускаемым журналом Nature.
Это исследование финансировалось и поддерживалось Программой ключевых исследований и разработок Министерства науки и технологий Китая, Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC), Шэньчжэньской программой создания ключевых лабораторий и Шэньчжэньской программой выдающегося молодежного фонда. Работа по моделированию проводилась на суперкомпьютерной платформе моделирования со скоростью около триллиона раз в секунду Исследовательского центра передовых технологий испытаний материалов Шэньчжэньского технологического университета.