近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在新型相對論“光鑷”研究方向取得重要突破，產(chǎn)生國際最強(qiáng)渦旋激光并成功驅(qū)動(dòng)高能環(huán)形質(zhì)子加速，開啟了新型相對論渦旋“光鑷”產(chǎn)生和應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)大門。相關(guān)成果發(fā)表于物理學(xué)國際頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》【Physical Review Letters 125, 034801 (2020)】。
2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分別頒給了A. Ashikin, G. Mourou, 和 D. Strickland，表彰他們在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明。A. Ashikin于1970年發(fā)明了“光鑷”技術(shù)，其中拉蓋爾高斯（LG）激光（渦旋光）被認(rèn)為是一種很好的“光鑷”；1985年，G. Mourou, 和 D. Strickland兩人則發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）激光技術(shù)。 “光鑷”和相對論CPA激光技術(shù)這兩項(xiàng)之間并沒有緊密聯(lián)系，主要原因在于以前弱光領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋“光鑷”的相位調(diào)制器等元件存在閾值限制，無法應(yīng)用于相對論領(lǐng)域，嚴(yán)重阻礙了超強(qiáng)渦旋“光鑷”在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)和有效應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)于2019年在理論模擬上首次實(shí)現(xiàn)了光鑷和CPA技術(shù)的結(jié)合——新型相對論“渦旋刀”【W(wǎng)ang et al. PRL 122, 024801 (2019)】。在本次研究中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在上海光機(jī)所強(qiáng)光PW激光裝置上引入大尺寸反射式相位板，采用先反射產(chǎn)生渦旋激光模式再緊聚焦的方法，首次在國際上產(chǎn)生了最高強(qiáng)度的飛秒PW渦旋激光，強(qiáng)度高達(dá)6.3×1019 W/cm2。通過惠更斯-菲涅爾（Huygens-Fresnel）模型計(jì)算，驗(yàn)證了這種方法產(chǎn)生相對論渦旋激光的有效性；利用中空的超強(qiáng)渦旋激光，完成了原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功產(chǎn)生了規(guī)則的高能環(huán)形質(zhì)子束。三維理論模擬研究證明：超強(qiáng)渦旋激光特有的中空光強(qiáng)分布可驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的激波加速機(jī)制，最終可實(shí)現(xiàn)新型相對論渦旋“光鑷”對質(zhì)子束的環(huán)形操控。該技術(shù)可應(yīng)用于PW、10PW、甚至未來100PW激光系統(tǒng)，為產(chǎn)生重頻超強(qiáng)渦旋激光提供一種可行的有效方案，并可實(shí)現(xiàn)新型相對論渦旋“光鑷”在相對論等離子體中“螺旋錐鉆孔”和環(huán)形等離子加速等應(yīng)用。相關(guān)研究對于慣性約束聚變中的快點(diǎn)火、渦旋高次諧波產(chǎn)生、渦旋加速導(dǎo)致的巨磁場產(chǎn)生、聚束粒子加速、天體物理中噴流形成等研究方向，具有廣泛且重要的應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、上海市軍民融合發(fā)展專項(xiàng)資金科技創(chuàng)新支持項(xiàng)目基金支持。（強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿）。
圖1 實(shí)驗(yàn)布局圖
圖2 質(zhì)子空間分布圖
新聞鏈接：http://www.siom.cas.cn/xwzx/ttxw/202007/t20200723_5642055.html
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