“中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年”纪念专辑前言

2024年是中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年,值此之际,我们联合《中国激光》策划出版“中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年”纪念专辑,旨在全面介绍我所在光学及激光领域中的最新研究成果。中国科学院上海光学精密机械研究所始建于1964年。

超过30 GeV的强激光锁相直接电子加速

当超强激光斜入射辐照固体时,预脉冲会先将固体表面等离子体化,随后主脉冲将与等离子体相互作用并最终被等离子体反射.同时,等离子体中的部分电子将锁定在激光场的加速位相,随后在激光场中获得有效加速,该过程被称为锁相电子加速.由于目前超强激光的电场强度已接近TV/m量级,因此如果电子在激光场加速位相中停留足够长的时间,便有可能获得百GeV甚至TeV量级的能量.本文针对现有的超强激光参数,通过单电子动力学模型,对锁相机制中电子在激光场的加速过程展开系统研究.研究结果表明,峰值功率为10 PW量级的强激光可将电子直接加速至30 GeV左右.本研究还给出了锁相加速机制中锁相电子的远场能量角分布,以及最终能量等与激光场强度的定标关系.考虑到激光强度的不断提高并且激光锁相电子加速机制也适用于正电子加速,因此本研究结果将有望应用于小型化正负电子对撞机及高能伽马射线源等领域.

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.

Ni60/WC涂层表面圆凹坑皮秒激光加工关键参数研究

目的优化激光路径填充方式以减少皮秒加工圆凹坑底部的堆积现象,并探究基于该激光路径填充方式的皮秒激光关键参数对Ni60/WC涂层表面圆形凹坑形貌参数的影响规律。方法采用搭建的紫外皮秒激光微加工平台在Ni60/WC涂层表面加工预先规划的直径为230μm的圆凹坑,通过白光干涉仪测试加工所得圆凹坑的整体三维形貌对圆凹坑底部形貌进行表征。采用同心圆网格复合激光路径填充方式对圆凹坑底部堆积现象进行优化,并通过单因素法分析该路径下皮秒激光关键参数,即加工功率、扫描次数、扫描速度对圆形凹坑深度、直径和圆度系数的影响规律。结果通过优化的同心圆网格复合激光路径填充方式加工所得圆凹坑材料去除体积为7.59×106μm3,轮廓算术平均高度为21.37μm,对比原始的网格激光路径填充方式,加工的圆凹坑底部无明显堆积;基于此激光路径填充方式,在测试工艺参数范围内,圆凹坑深度、直径和圆度系数随激光功率的增大呈二次函数增大;随着扫描速度的增大,圆凹坑深度、直径呈线性减小,圆度系数呈线性增大;圆凹坑深度、直径和圆度系数随扫描次数的增加均呈线性增大。结论同心圆网格复合激光路径填充方式可以有效改善Ni60/WC涂层表面皮秒加工圆凹坑底部堆积现象,针对直径(230±5)μm、深度(30±5)μm的圆凹坑,优选出的皮秒激光加工参数范围为:激光功率6~7 W,扫描速度6000~8000 mm/s,扫描次数1~2次。

中红外飞秒激光场中氮分子高次谐波的多轨道干涉特性研究

通过系统研究氮分子高次谐波产生过程中的电子超快动力学过程,实验上发现在中红外飞秒强激光场驱动下高次谐波谱的截止区附近存在清晰的谐波谱极小值.进一步研究表明谐波谱极小值对应的光子能量强烈依赖于驱动激光脉冲的光强和波长,而与分子取向角无关,由此推断该极小值来源于氮分子最高占据分子轨道和次最高占据分子轨道产生的高次谐波之间的相消干涉.本研究结果将对极端强场条件下多轨道电子超快动力学研究起到积极推动作用.

激光参数对非理想真空激光光强极限的影响

人类在实验室可实现的激光强度极限是强场量子电动力学(QED)的重要问题。在非理想真空条件下,极端超强激光与残留的电子相互作用触发伽马光子辐射与正负电子对产生的QED级联效应,从而显著消耗激光能量,大幅降低可实现的激光峰值强度。考虑到QED级联效应与激光偏振、焦斑尺寸、脉宽长度有着密切的关系,基于囊括QED过程的粒子网格模拟方法(Particle-in-cell, PIC)对上述参数的效应进行分析,同时构建了激光场演化的自洽方程来进行解释,二者结果基本保持一致,获得的强度极限在考虑的参数范围内为10^(26)~10^(27) W/cm^(-2)。结果表明,同等情形下,圆偏振激光可激发更强的QED级联,使得激光强度上限略低于线偏振。此外,紧聚焦激光由于QED级联发生的时空间尺度更小,从而激光的吸收效应被显著抑制,进而可以实现更强的聚焦强度。对于更长脉宽的激光,由于正负电子对吸收的能量区域更加弥散,使得可实现的激光强度上限阈值有所提升。但对于超短脉宽情形(如单周期),由于QED级联的种子源电子束不能很好地被约束在激光区域,理论分析耗散的激光能量偏高。此外,在高真空度的情形下,残余电子的随机性也会对可实现激光强度产生一定的影响。研究结果可为后续开展极端强场QED实验和数100 PW级超强超短激光装置建设提供指导。

强场太赫兹光源及其物质调控研究(特邀)

介绍了基于超快激光的强场太赫兹波产生技术、探测技术及其在物质调控研究中的应用.强场太赫兹波的产生机制主要包括:晶体非线性效应、激光等离子体相互作用、太赫兹自由电子激光等.太赫兹波的探测技术包括:电光采样探测、空气偏压相干探测和单发探测等.最后介绍了强场太赫兹光源在物质调控研究中的应用,特别指出将强场太赫兹光源与第四代X射线光源相结合,在物性表征和调控方面具有广阔的应用前景.

超快光场驱动的二氧化钒薄膜相变研究进展

二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联电子材料,当达到相变阈值时,会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相,这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生,并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化,其中相变前后电阻率会发生3~5个数量级的变化,这使得VO2在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了VO2的相变机制,主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动,接着重点介绍了利用超快时间分辨技术,尤其是太赫兹时域光谱技术,来研究VO2薄膜的相变动力学过程,最后,介绍了基于VO2薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。

中红外超强超短激光研究进展(特邀)

近年来,可调谐中红外新波段超强超短激光的出现与迅速发展,开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间,为开拓超强超短激光与物质相互作用的新物理、新效应及新应用提供了新机遇。文中总结了中红外超强超短激光近年来的发展趋势与研究方向。针对光参量放大、光参量啁啾脉冲放大、中红外脉冲后压缩以及中红外新型光场调控技术4个研究方向,较全面地分析各自的国内外研究现状,并对未来中红外超强超短激光的发展趋势进行了展望。

上海超强超短激光实验装置研制进展

超强超短激光的出现与迅猛发展,为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段,使得人类对客观世界规律的认识更加深入和系统化,显著推动基础与前沿交叉学科和战略高技术领域的创新发展。超强超短激光大科学装置对于促进人类对客观世界规律的认识以及推动前沿科学研究领域的发展具有举足轻重的作用。结合国内外超强超短激光的发展现状,介绍上海超强超短激光实验装置的研制进展,进一步展望未来的研究发展方向。

低损耗薄膜铌酸锂光集成器件的研究进展

近年来得益于薄膜铌酸锂晶圆离子切片技术和低损耗微纳刻蚀工艺的飞速发展,薄膜铌酸锂光集成结构提供了光场紧束缚、快速电光调谐、高效频率转换和声光转换的空前能力,各种高性能的薄膜铌酸锂光集成器件不断涌现,且朝着大规模光集成芯片的方向迅猛发展,为高速信息处理、精密测量、量子信息、人工智能等重要应用提供了全新的发展动力。本文主要围绕铌酸锂晶体发展历史、薄膜铌酸锂离子切片技术发展历程、极低损耗微纳刻蚀技术演化进程,以及高性能的薄膜铌酸锂光集成器件进展进行总结,并展望了未来的发展趋势。

强激光场下固体表面超快电子动力学及辐射机制研究进展

强激光固体等离子体相互作用可以驱动电子加速,电子的动力学过程具有亚光周期特性,可以激发阿秒电子脉冲.通过对电子空间图像的分析,可以反演激光固体等离子体相互作用的超快时间动力学.电子的发射伴随着电磁辐射的产生,如高次谐波X射线、太赫兹辐射等,辐射波段和固体靶的结构有着密切的联系.强激光能量向辐射能量的转化和电子与表面场的作用时间成正比,因此有效控制自由电子和表面场的相互作用可大大提高激光能量向辐射场的转化效率.基于Biermann电池效应、Weibel不稳定性等机制,通过激光驱动的强流电子可以在固体表面激发千特斯拉量级的强磁场,磁场演化的时间尺度在皮秒量级.本文从强激光和固体等离子体作用的超快(阿秒级)动力学开始,分析了电子流在飞秒以及皮秒时间尺度上的辐射特性,介绍了强磁场的产生及其演化的超快动力学.强激光和固体等离子体相互作用包含了丰富的内容,阿秒物理、辐射机制、实验室天体物理等领域还有待我们继续深入研究.

基于萨哈-玻尔兹曼图与自吸收校正的单点修正激光诱导击穿光谱

为进一步提高单点修正激光诱导击穿光谱(OPC-LIBS)的定量分析精度,提出了基于萨哈-玻尔兹曼图与自吸收校正的OPC-LIBS方法,利用该方法对两个钛合金样品中的Ti、V和Al元素进行了定量分析,并将其定量结果与基于玻尔兹曼图的OPC-LIBS、基于萨哈-玻尔兹曼图的OPC-LIBS以及基于玻尔兹曼图和自吸收校正的OPC-LIBS的结果进行了对比分析。研究结果表明,所提出的改进方法在4种方法中可获得最小的定量误差,测量两个钛合金样品中3种元素的平均相对误差(MREs)分别为4.11%和3.99%,证明所提出的改进方法可有效提高OPC-LIBS的定量分析精度。

应用于1064 nm倍频实验的啁啾周期极化铌酸锂晶体的结构设计与角度鲁棒性测试

通过倍频技术产生的532 nm固体激光器是目前应用最广泛的激光器之一,其最常用的倍频晶体三硼酸锂(LBO)在角度鲁棒性与倍频效率上仍有不足.为获得具有较好的角度鲁棒性的倍频晶体,实现激光器结构复杂度的降低与稳定性的提升,本文从角度鲁棒性的理论分析出发,对啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)晶体的结构进行设计,并对其进行理论仿真与实验测试.模拟仿真的结果表明,该设计结构的CPPLN晶体具有良好的角度鲁棒性,在-3°至+3°的范围内倍频效率一直维持在最高倍频效率的60%以上.倍频实验的结果显示可以达到LBO晶体的11倍以上.同时CPPLN晶体的倍频光功率关于入射角度的半高宽可以达到6°以上,并且出射光斑为标准的高斯光斑,几乎不受入射角度的影响.研究表明,CPPLN晶体具有远高于LBO晶体的倍频效率,且角度鲁棒性优于LBO晶体的角度鲁棒性.

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。

激光同步辐射作为阿秒X射线辐射源的特性研究

研究了逆流相对论电子与激光脉冲相互作用获得激光同步辐射的频率上移、微分散射截面等特性。发现逆流相对论电子与短脉冲激光相互作用,可以获得阿秒X射线辐射脉冲。短脉冲激光条件下得到的后向散射光的频率上移与长脉冲激光条件下得到的后向散射光的频率上移是完全一致的,同时发现随着入射电子初始能量的增加,散射光的准直性越来越好,后向散射光脉冲的脉宽越来越短。

国产大尺寸钛宝石晶体助力世界最强脉冲激光放大输出

自主研发成功热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备,生长出完整无开裂的钛宝石激光晶体毛坯,经加工获得尺寸达φ235mm×72mm的晶体元件。在180mm口径范围内,晶体光学均匀性达到5.52×10^-5,晶体应力双折射为5.0nm/cm。大尺寸钛宝石晶体应用于上海超强超短激光实验装置,获得339J激光脉冲能量输出,峰值功率达10.3PW。

双色场相位平缓对远场前向太赫兹的增强

太赫兹辐射极性和幅度依赖于双色场相位。由于等离子体光丝中色散和Gouy相移,导致双色场的相对相位随着激光的传播发生改变。当相位的改变量大于π时,丝中的太赫兹电场极性发生反转,使得远场太赫兹辐射在离轴相位匹配角方向相干增强,而光轴前向相消减弱。通过对基频和倍频聚焦条件的调整和传输非线性色散的作用对双色场相对相位进行了调制,提出了可以使相对相位平缓的方法。模型计算证明了等离子体形成和Gouy相移调制是使双色场相移变平缓的原因。随后利用相位变平缓的条件得到了太赫兹发生极性反转的失相长度延长,最大长度近三倍于空气介质中的失相长度。在满足相位变平的条件下,远场太赫兹辐射在光轴前向的分布得到增强。

飞秒强激光作用下电子振荡导致的谐波辐射频谱的展宽和红移

采用单电子模型研究了圆偏振飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的谐波辐射频谱的特性。研究发现随着激光强度的增加,电子在激光场中运动的相对论效应可以导致谐波辐射,并且发现谐波辐射频谱随着激光强度的增加发生了展宽和红移。电子与强激光脉冲相互作用,电子除了在激光场的作用下做横向振荡运动之外,激光脉冲的纵向有质动力对电子还有推动作用,这是产生谐波频谱红移的原因,而谐波辐射频谱展宽是由电子纵向速度的变化引起的。分析激光场中电子在不同方向的辐射频谱表明:随着谐波阶数的升高,红移在有规律地变大;在θ=3π/4方向上电子频谱的红移比θ=π/2方向上更明显。

飞秒四波混频在超快超强激光技术中的应用(特邀)

超快超强激光可以在实验室创造出超快时间、超强电场、超强磁场、超高温度及超高压力等多种极端物理实验条件,是当前拓展人类对物质世界认知最强有力的工具之一。在超快超强激光的发展过程中,飞秒四波混频过程在多个方面都发挥着非常重要的作用。本文介绍了飞秒四波混频过程在超快超强激光中近年来的一些进展和应用,系统总结了近年来利用级联四波混频、自衍射效应、瞬态光栅效应、四波光参量放大,以及交叉偏振波产生等飞秒四波混频过程,在宽带高对比度种子激光产生,新颖同心多色涡旋/径向偏振飞秒超快光源构建,“四阶相关仪”等脉冲对比度单发测量仪研制,以及脉冲形状宽度单发测量仪研制等方面的成果与进展。未来,飞秒四波混频过程还可拓展到太赫兹和极紫外等波段,继续为超快超强激光技术的发展做出重要贡献。