上海光机所在飞秒强激光驱动微波电磁脉冲研究中取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在超强超短激光驱动电磁脉冲规律和机理方面取得进展，系统研究了电磁脉冲频谱特性、强度分布以及随激光能量、脉宽以及焦斑等参数的规律变化，阐述了超强超短激光与固体作用产生电磁脉冲的关键影响因素及产生机理。相关成果以“Gigahertz electromagnetic pulse emission from femtosecond relativistic laser-irradiated solid targets”为题发表在Optics Express上。

强激光与固体作用会产生高强度、宽频谱的电磁脉冲辐射。射频-微波范围的瞬态电磁场可以达到相当高的强度。监测电磁脉冲的水平对于开发高功率、高能量激光装置至关重要，目前大部分激光装置，尤其是在飞秒强激光装置，在设计阶段缺乏对电磁脉冲的考虑，仍然缺乏对电磁脉冲特性的系统研究。另外，还可以作为激光等离子体相互作用诊断工具，因为相关电磁脉冲的电场和磁场的强度、时间和光谱特征可与实验中的特定相互作用条件相关联。因此，探索电磁脉冲的驱动规律，研究电磁脉冲的产生机制具有重要意义。

该研究中，研究团队开展了在真空条件下超快飞秒强激光-固体材料作用产生电磁脉冲实验研究，测量了激光参数条件（激光能量0.06 J ~ 3 J，激光脉宽29 fs ~ 115 fs，激光焦斑19  ~ 120 ）以及材料类型下的电磁脉冲频谱特性、强度分布，实验中激光功率密度范围为1017到 1019 W/cm2，电磁脉冲主要频率在0.25 GHz左右，最强场强会达到MV/m。分析表明，电磁脉冲主要源自靶-支撑杆-大地之间的中和电流所产生的振荡，阐明并验证了短脉冲（亚皮秒和飞秒）激光驱动电磁脉冲的发射机制。实验上证实了理论预期，成功地解释了能量（图1）、脉宽（图2）、焦斑（图3）等参量变化下飞秒激光脉冲驱动产生电磁脉冲能量的规律，为深入理解超强超短激光与固体作用产生电磁脉冲的机理以及开拓其新应用提供了可靠的科学依据。

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图1. (a)不同激光能量下测得的电磁脉冲电场能量及(b)电磁脉冲能量理论值。(c)不同激光能量下的电磁脉冲时域波形及(d)相应频谱。

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图2. (a)不同激光脉宽下测得的电磁脉冲电场能量及(b)电磁脉冲能量理论值。(c)不同激光脉宽下的电磁脉冲时域波形及(d)相应频谱。

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图3. (a)不同激光焦斑下测得的电磁脉冲电场能量及(b)电磁脉冲能量理论值。(c)不同激光焦斑下的电磁脉冲时域波形及(d)相应频谱。

相关工作得到国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、中国博士后科学基金、上海市科技启明星扬帆计划等支持。

相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.510468