清華大學魯巍教授團隊提出了一種基于激光等離子體“光子減速”機制產(chǎn)生可調(diào)諧超強近單周期中紅外激光脈沖的理論方案，被選為Nature Photonics 8月封面論文。該方案利用特定“三明治”結(jié)構(gòu)的等離子體作為非線性光學頻率轉(zhuǎn)換器件（“光子減速器”），將普通波長0.8~1 μm的超快超強激光脈沖高效率地轉(zhuǎn)化為波長在4~15 μm范圍的可調(diào)諧相對論光強近單周期中紅外脈沖。該方案原理簡單且可實現(xiàn)性強，目前已獲得實驗驗證。

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圖1 “光子減速器”產(chǎn)生超強單周期中紅外激光脈沖

長期以來，受限于激光放大介質(zhì)以及非線性光學晶體的物理特征，超短超強激光的產(chǎn)生僅限于1 μm左右有限的近紅外波長（特別是近單周期相對論光強的激光脈沖）。該方案的提出與實現(xiàn)，填補了長期以來中紅外波長范圍內(nèi)（4~15 μm）超快超強激光脈沖產(chǎn)生的空白，有望開辟相對論中紅外非線性光學新的研究領(lǐng)域，為超強激光在阿秒科學、超快化學、強場物理、新加速器與光源等領(lǐng)域的應用帶來全新機遇。

超快與超強激光及其應用一直是眾多前沿研究領(lǐng)域的熱點。近20年有三次諾貝爾獎頒發(fā)給了相關(guān)研究，足見其在前沿科學研究中舉足輕重的意義。1999年，Zewail教授因利用超快激光觀察到飛秒時間尺度的光化學反應過程被授予諾貝爾化學獎，開辟了超快化學研究的新領(lǐng)域。2005年，基于飛秒激光的“光梳”技術(shù)因其在諸多基本物理量精細測量方面的應用獲得諾貝爾物理學獎。2018年，Mourou與Strickland因發(fā)明產(chǎn)生超短超強激光的關(guān)鍵技術(shù)“啁啾脈沖放大（CPA）”獲得諾貝爾物理獎，而激光加速器與應用、阿秒科學以及飛秒微加工三方面的研究則是超短超強激光獲獎的重要科學與應用基礎。

自啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)明以來，超短超強激光技術(shù)一直在迅猛發(fā)展，激光峰值功率與可聚焦光強一直以指數(shù)級速度增長，目前功率和光強分別有望接近10 PW和1023 W/cm2。但在波長可調(diào)諧方面，長期以來超短超強激光的產(chǎn)生僅限于1 μm左右有限的近紅外波長，這主要是受限于激光放大介質(zhì)以及非線性光學晶體的物理特征。由于缺乏合適的超寬帶非線性光學晶體以及損傷閾值的限制，近單周期超強中紅外激光脈沖的中心波長一直停滯在4 μm，如何在4~15 μm的波長范圍內(nèi)有效地產(chǎn)生近單周期的超強激光脈沖一直缺乏可行方案。這方面的突破，有望開辟相對論中紅外非線性光學新的研究領(lǐng)域，為超強激光在阿秒科學、超快化學、強場物理、新加速器與光源等領(lǐng)域的應用帶來全新機遇。

超短超強激光的重要科學應用之一是阿秒科學。阿秒即10-18 s，是原子中電子量子波包運動的時間尺度。2001年，通過對飛秒強激光與原子作用產(chǎn)生高次諧波的操控，人們首次獲得了具有阿秒時間長度的光子脈沖（650阿秒），開啟了阿秒脈沖產(chǎn)生與應用的新時代。目前人們能夠獲得的最短軟X射線脈沖長43阿秒，依然比自然原子單位時間24阿秒長近一倍。一直以來如何獲得更短的阿秒脈沖是阿秒脈沖研究的一個挑戰(zhàn)，由于高次諧波產(chǎn)生機理的限制，利用現(xiàn)有近紅外波長（0.8~3.9 μm）飛秒強激光已經(jīng)遇到瓶頸。原理上長波長（5~10 μm）近單周期飛秒強激光非常有利于實現(xiàn)更短阿秒脈沖這一目標，而目前這一波段超短超強脈沖產(chǎn)生技術(shù)的限制，是制約阿秒脈沖向更短時間分辨邁進的瓶頸之一。

超短超強激光的另外一個重要科學應用是具有超高加速能力的激光尾波加速器。傳統(tǒng)大型加速器包括用于粒子物理研究的對撞機或眾多科研領(lǐng)域的高亮度光源，是現(xiàn)代科學研究至關(guān)重要的研究工具。它們往往復雜昂貴且規(guī)模巨大，例如美國斯坦福線性加速器國家實驗室（SLAC）的第四代線性加速器相干光源（LCLS）長達一公里。激光尾波加速器因其具有超出傳統(tǒng)加速器千倍以上的超高加速梯度，有望將大型加速器與光源縮小到普通實驗室甚至桌面規(guī)模。其基本原理可以用“光速沖浪”來比喻：當超短超強激光在稀薄等離子體中傳播時，會在等離子體中激發(fā)類似船劃過水面的尾波。被加速的帶電粒子像沖浪者一樣在尾波中被推著以接近光速前行，并不斷從中獲得能量。由于尾波加速場比當前加速器技術(shù)的加速場強千到萬倍，所以很小的加速距離就能獲得極高能量。Nature雜志以“等離子體革命”來形容這種新型加速器技術(shù)，并在其“2020展望”中專題論述其重要意義。

非常有趣的是，激光尾波作為“帶電粒子加速器”的同時，對于激光自身而言卻是一個不折不扣的“光子減速器”。在激光激發(fā)尾波的過程中，激光通過能量損失產(chǎn)生尾波，而激光自身光子的頻率不斷下降（波長變長），其在等離子體中的等效速度（光子群速度）也不斷變慢，這就是所謂的“光子減速”機制。在激光尾波加速研究早期，人們就已經(jīng)熟知這種現(xiàn)象，但人們主要的關(guān)注點在于帶電粒子的加速。如果換一個角度看，這個過程其實也是超強激光在等離子體中傳播的一個非線性頻率變換過程，與常見的晶體或氣體中的光學非線性自相位調(diào)制類似。而關(guān)鍵的不同在于等離子體是一個具有高度靈活性的可定制介質(zhì)，同時又能夠輕易支撐超強光場，因此特定設計的等離子體結(jié)構(gòu)中的“光子減速”在產(chǎn)生長波長超強激光方面具有天然的巨大潛力。那么能否找到一種合適的結(jié)構(gòu)，解決5 μm以上波長準單周期超強中紅外激光的產(chǎn)生難題，就成為了一個非常值得探索的方向。如果能夠有所突破，就會成為 “他山之石可以攻玉”的一個典型案例。帶著這個期待，魯巍教授團隊深入開展了系統(tǒng)的理論分析與大型并行粒子模擬研究，找到了一個非常理想且具有高度可行性的新方案。在該方案中，激光在一個“三明治”型等離子體結(jié)構(gòu)中被“光子減速”的同時（圖2），能夠以很高的效率產(chǎn)生波長在5~14 μm范圍內(nèi)可調(diào)諧的具有相對論光強的近單周期飛秒紅外脈沖。

圖 2 (a)“三明治”型等離子體結(jié)構(gòu)密度分布，（b）激光脈寬與歸一化矢勢及 (c) 紅外光譜隨等離子體距離變化曲線，（d）單周期超強紅外脈沖（12 μm中心波長）及其光譜