从啁啾脉冲放大到强场激光物理——2018年诺贝尔物理学奖解读

1985年,Donna Strickland和Gérard Mourou等提出了啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification,CPA)技术的概念,这是超高峰值功率超短脉冲激光技术发展的一个重要里程碑,直接推动了超强超短激光和强场激光物理等研究领域的诞生。目前,利用CPA技术已经可以获得峰值功率达到10拍瓦(PW,1 PW=10^(15) W)量级的激光脉冲,被认为是"将影响从聚变到天体物理的每一项研究"的成果。也正因此,发明啁啾脉冲放大(CPA)技术的法国科学家Gérard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland,获得了2018年诺贝尔物理学奖。首先,初步介绍了Strickland和Mourou提出的啁啾脉冲放大(CPA)技术;然后,结合上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点室在超强超短激光技术和强场激光物理研究等方面的成果,以及承担的国家重大科技基础设施项目"上海超强超短激光实验装置",简单介绍了Gérard Mourou和Donna Strickland获奖的意义;最后,对相关领域未来发展进行了初步的展望。

强激光场对低维半导体系统的调制效应

强激光场与材料相互作用时产生的现象是非线性光学领域的研究热点。自激光器问世以来,已经有不少针对某一具体材料结构在特定激光场下非线性光学性质的研究,但关于材料结构与激光参数取值关系的研究比较少。本文研究了激光场对半导体材料的光学性质的调制范围,并发现随着激光修正参数增加,光吸收、光折射峰值位置发生红移现象。

强场X射线激光物理

相干X光,特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径.由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度,有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段.目前,基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展,随着X射线光强的提升,相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)物理等领域,为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会.本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍,旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势,并对未来的发展方向进行展望.

纳秒强激光场中苯电离产生高价离子的研究

用25ns脉冲Nd-YAG532nm的激光,在1010～1011W·cm-2的光场强度下,利用飞行时间质谱对He、N2、Ar载气条件下苯的激光电离过程进行了研究.发现当利用氩作为载气时,除观察到C+2、C2H2+、C3H3+、C6H6+离子外,还观察到很强的Cq+(q=1～3)高价离子.这些离子都有很高的平动能,C2+的最可几平动能为12.9eV,C3+为37.5eV.通过改变载气种类和压力及在不同光场强度条件下的实验,可以认为这些高价离子来源于含苯团簇的库仑爆炸过程.

强激光场中CO分子经典轨迹的辛算法

采用辛算法计算CO异核双原子分子系统在强激光场作用下的经典轨迹,与RungeKutta方法进行比较,分析了CO双原子分子在激光场作用下的振动轨迹、相平面轨道与总能量随时间的变化及CO分子的解离.

用伪谱方法计算强激光场中一维原子的阈上电离谱

引入非线性空间变换,用伪谱方法求解了一维原子在强激光场中的薛定谔方程,再利用B样条函数和傅立叶级数的线性组合构造原子未微扰的本征函数,计算了一维原子在强激光场中的阈上电离谱,其结果与分裂算符法得到的结果符合得很好。

强激光场中模型氢原子和真实氢原子产生高次谐波的比较

通过数值求解原子在强激光场中的含时薛定谔方程,研究了有库仑奇点和无库仑奇点的一维模型氢原子和三维真实氢原子产生高次谐波的特性.结果表明,有库仑奇点和无库仑奇点的一维模型氢原子和三维真实氢原子产生高次谐波的截止位置相同,但是高次谐波强度变化特征明显不同,进一步的研究表明,无库仑奇点的模型氢原子产生的高次谐波谱相对变化趋势与三维真实氢原子的高次谐波谱变化趋势是完全一致的.

用谱拟合法计算强激光场中氢原子的高次谐波谱

介绍了一种新的求解含时薛定谔方程的谱拟合法 .该方法把含时波函数在少量且分布稀疏的网格点上拟合 ,结合泰勒级数展开 ,用相对简单的计算得到包括Δt高次项贡献的含时波函数 .并将这一方法用于强激光场中氢原子高次谐波谱的计算 ,得到了与其它方法一致的结果 .

强激光场中一维原子的渐近边界条件

用Fourier变换推导了强激光场中一维原子模型的渐近边界条件,分析了三类渐近边界条件的误差,用第一类渐近边界条件和非齐线性正则方程的辛算法计算了强激光场中一维氢原子的几率分布和平均能量,并将结果与理论分析进行了比较.

静电场对强激光场中氢原子产生高次谐波的影响

利用分裂算符方法数值求解了真实氢原子在强激光场和静电场作用下的含时薛定谔方程,研究了静电场对强激光场中氢原子产生高次谐波的影响。研究表明,静电场加入后,奇次谐波的强度有所降低,并且谐波谱中出现偶次谐波和双平台结构。利用小波变换,观察了高次谐波在不同时刻的发射情况。借助于半经典理论,解释了在静电场作用下高次谐波发生变化的机制。

强激光场中原子团簇的电离和光辐射

通过数值求解一维含时薛定谔方程，研究了原子与原子围簇的电离、电子的时间演化和光辐射现象．结果表明，原子团簇比原子更易于电离，原子团簇中电子的时间演化和原子中电子的时间演化不同，光辐射频率也要高很多．

强激光场作用下部分离化等离子体的非线性极化

针对线偏振光场,提出一个原子极化模型。假设原子核为静止不动的正电背景,束缚电子不发生再电离,自由电子与离子也不发生复合,电子对电场的响应是瞬时的,并用旋转椭球来近似描述电子云的形状。通过此模型,可解析地计算出不同电离状态原子的第1阶线性和第3阶非线性极化率、相应的极化电流、以及极化介质(原子)的折射系数。在低场近似下,这些结果可自洽地过渡到传统的非简谐振子模型,并可得到对应的谐振子的固有频率和非线性系数。

辛格式在强激光场一维模型问题计算中的应用

将辛算法推广到复辛空间 ,指出了辛算法保定态 Schrodinger方程的 Wronskian守恒。将辛算法应用于强场一维模型的计算中 ,并与 Runge-Kutta法作了比较。结果显示 ,辛算法保持定态Schrodinger方程的 Wronskian守恒 ,适合于在充分远空间上计算线性无关解 。

一维势场中电子对强激光场的非线性散射

数值求解一维势场中电子对强激光场的非线性散射问题，比较了不同形状和深度的势场中电子对不同频率和强度的激光脉冲非线性散射的影响。结果发现：（１）对一定强度和频率的激光脉冲，紧束缚的势场抑制高次谐波的产生；（２）一定势场中，电子对高频场（与低频场强度相同）的散射更易表现出谐波行为，但级次不高。

超强激光场中氢原子辐射高次谐波蒙特卡罗模拟

运用蒙特卡罗方法，模拟和计算出在超强激光场中，氢原子在相对论领域的电离几率和辐射出的高次谐波，并且讨论了氢原子的电离几率和辐射出的高次谐波与激光场的电场和磁场的关系。

用伪谱方法研究强激光场中一维原子的稳定性

将伪谱方法推广应用到Kramers-Henneberger(KH)坐标系中求解了一维原子在强激光场中的薛定谔方程,研究了强激光场中一维原子的稳定性.结果表明,在中等强度的激光场中,原子没有发生电离抑制,而在高频超强激光场中,原子的电离受到抑制.

强激光场中团簇Na_2的谐波产生

在时间相关的局域密度近似TDLDA理论框架下 ,研究了强激光场中最简单金属团簇Na2 高次谐波的产生。当激光参数选为强度 1.338× 10 12 W/cm2 和频率 5 .2 6 6eV时 ,在激光频率和Na2 的共振频率处成峰 ;而当强度为 5 .0 5 5× 10 12 W/cm2 ,频率为 1.12 4eV时 ,观察到了第三 ,第五次谐波产生。

强激光场中氢负离子双光子电离能量谱的研究

利用强场近似(Strong field approximation,SFA)方法研究氢负离子(H^-)在强激光场中双光子电离的能量谱,所得到的电离谱随角度的变化规律与实验结果符合得很好.进一步的研究表明,H^-离子在强激光场中双光子电离的能量谱与有质动力能有关.激光场强度越大,光电子的有质动力能也越大,能量谱向左移动越明显.我们的结果表明,使用强场近似是一种研究负离子在强激光场中电离过程的有效方法.

环辛酮分子在飞秒强激光场中的解离研究

本文首先利用基于密度泛函理论的B3LYP方法,采用6-31/+g(d,p)基组,对环辛酮分子及其离子化分子进行了结构优化,对C8H14O+进行了频率计算.而后,对C8H14O+红外活性强的振动模式进行分析,得到了环辛酮分子在飞秒激光作用下的解离碎片.最后,应用基于密度泛函理论的B3LYP方法,采用6-31/+g(d,p)基组,对这些碎片的结构进行了优化,从而得到了环辛酮分子在飞秒激光作用下的解离产物.

用李代数方法研究强激光场中双原子分子的多光子激发

组成系统哈密顿量的一组算子对易关系封闭 ,构成一个李代数。这组算子的统计平均值随时间的演化满足一个封闭的一阶线性微分方程组。讨论了有关物理量的统计平均值随时间的变化关系。