近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)電磁脈沖規(guī)律和機(jī)理方面取得進(jìn)展，系統(tǒng)研究了電磁脈沖頻譜特性、強(qiáng)度分布以及隨激光能量、脈寬以及焦斑等參數(shù)的規(guī)律變化，闡述了超強(qiáng)超短激光與固體作用產(chǎn)生電磁脈沖的關(guān)鍵影響因素及產(chǎn)生機(jī)理。相關(guān)成果以“Gigahertz electromagnetic pulse emission from femtosecond relativistic laser-irradiated solid targets”為題發(fā)表在Optics Express上。

強(qiáng)激光與固體作用會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度、寬頻譜的電磁脈沖輻射。射頻-微波范圍的瞬態(tài)電磁場(chǎng)可以達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度。監(jiān)測(cè)電磁脈沖的水平對(duì)于開發(fā)高功率、高能量激光裝置至關(guān)重要，目前大部分激光裝置，尤其是在飛秒強(qiáng)激光裝置，在設(shè)計(jì)階段缺乏對(duì)電磁脈沖的考慮，仍然缺乏對(duì)電磁脈沖特性的系統(tǒng)研究。另外，還可以作為激光等離子體相互作用診斷工具，因?yàn)橄嚓P(guān)電磁脈沖的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度、時(shí)間和光譜特征可與實(shí)驗(yàn)中的特定相互作用條件相關(guān)聯(lián)。因此，探索電磁脈沖的驅(qū)動(dòng)規(guī)律，研究電磁脈沖的產(chǎn)生機(jī)制具有重要意義。

該研究中，研究團(tuán)隊(duì)開展了在真空條件下超快飛秒強(qiáng)激光-固體材料作用產(chǎn)生電磁脈沖實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了激光參數(shù)條件（激光能量0.06 J ~ 3 J，激光脈寬29 fs ~ 115 fs，激光焦斑19 ~ 120 ）以及材料類型下的電磁脈沖頻譜特性、強(qiáng)度分布，實(shí)驗(yàn)中激光功率密度范圍為1017到 1019 W/cm²，電磁脈沖主要頻率在0.25 GHz左右，最強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)達(dá)到MV/m。分析表明，電磁脈沖主要源自靶-支撐桿-大地之間的中和電流所產(chǎn)生的振蕩，闡明并驗(yàn)證了短脈沖（亞皮秒和飛秒）激光驅(qū)動(dòng)電磁脈沖的發(fā)射機(jī)制。實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了理論預(yù)期，成功地解釋了能量（圖1）、脈寬（圖2）、焦斑（圖3）等參量變化下飛秒激光脈沖驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電磁脈沖能量的規(guī)律，為深入理解超強(qiáng)超短激光與固體作用產(chǎn)生電磁脈沖的機(jī)理以及開拓其新應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、中國(guó)博士后科學(xué)基金、上海市科技啟明星揚(yáng)帆計(jì)劃等支持。

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圖1. (a)不同激光能量下測(cè)得的電磁脈沖電場(chǎng)能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光能量下的電磁脈沖時(shí)域波形及(d)相應(yīng)頻譜。

圖2. (a)不同激光脈寬下測(cè)得的電磁脈沖電場(chǎng)能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光脈寬下的電磁脈沖時(shí)域波形及(d)相應(yīng)頻譜。

圖3. (a)不同激光焦斑下測(cè)得的電磁脈沖電場(chǎng)能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光焦斑下的電磁脈沖時(shí)域波形及(d)相應(yīng)頻譜。