Изследователският екип на SZTU открива нов механизъм на кохерентно излъчване в атосекундни импулси

Наскоро екипът на проф. Ruan Shuangchen и проф. Zhou Cangtao от Shenzhen University of Technology (SZUT) предложи за първи път в света физическа схема за генериране на атосекундни импулси и субцикличен кохерентен оптичен шок от поле на свръхсветлинна плазмена опашка, и обясни нов механизъм за генериране на кохерентно излъчване, което е доминирано от колективното действие на електрони. Резултатите от изследването са публикувани във водещото международно списание по физика Physical Review Letters под заглавието „Кохерентен субцикличен оптичен шок от свръхсветлинно плазмено събуждане“. Асистент професор Хао Пенг е първият автор на доклада, а професорите Тайу Хуанг, Кантао Джоу и Шуангшен Руан са съавторите.
Електромагнитното вълново лъчение може да се види навсякъде в нашия живот и е тясно свързано с нашия живот, като слънчева светлина и светлини във видимата лента, мобилни телефони и WIFI сигнали в микровълновата лента, фотолитографски светлинни източници в екстремната ултравиолетова лента и рентгенови лъчи във високоенергийната лента. По-голямата част от светлината в природата обаче е некохерентна светлина, която има сложни честоти, много широко пространствено насочване и хаотични фази. Първият източник на кохерентна светлина, лазерът, е изобретен през 60-те години на миналия век. За кохерентната светлина, поради кохерентността на спектралните компоненти, които съдържа, фазовата разлика на всеки компонент е фиксирана, така че е възможно да се реализира модулация и компресия на светлинни импулси, така че да се получи кохерентен светлинен източник с много къс продължителност и много висока пикова мощност.
Източниците на кохерентна светлина като лазерите станаха повсеместни скоро след въвеждането им и важни приложения на лазерите могат да бъдат намерени навсякъде, от научните изследвания, промишлеността и армията до комуникациите, развлеченията и изкуствата, както и в нашето ежедневие. Развитието на лазерната технология и нейните приложения също доведоха до редица Нобелови награди, като например Нобеловата награда за физика за 2018 г., присъдена на Жерар Муру и проф. Дона Стрикланд за изобретяването на лазерно усилване с чирпирани импулси, което увеличи лазера яркост (плътност на мощността) с около 10 порядъка, превишаваща яркостта на слънчевата светлина с около 21 порядъка; докато тазгодишната Нобелова награда за физика беше присъдена на Пиер Агостини, Ференц Краус и проф. Ан Л'Юлие, изобретатели на атосекундни светлинни импулси, които са достатъчно кратки, за да заснемат изображения на вътрешната еволюция на атомите и молекулите.

а) източник на светлина в природата; (б) източник на кохерентна светлина, създаден от човек - лазер; в) Акустично възбуждане, причинено от свръхзвуков самолет; (d) Схематична диаграма на принципа на генериране на възбуждане от източник на радиация.
Ключът към генерирането на кохерентни източници на светлина е фазовото заключване, т.е. така че фазата между всяка микроскопична частица, участваща в излъчването, да е една и съща, създаването на лазера се основава на принципа на стимулираното лъчение, предложен от Айнщайн , т.е. броят на обърнатите атоми на частиците ще бъде освободен с фазата на падащия фотон в съответствие с падащите фотони на фотоните; и лазер със свободни електрони, такова мега-научно устройство се основава на микроагрегацията на лъча от електрони, който гарантира, че движението на всеки електрон е в една и съща фаза. В природата съществува друг механизъм за фазово заключване на вълните - възбужданията. Например, акустичните възбуждания се генерират, когато свръхзвуков самолет се движи по-бързо от скоростта на звука във въздуха, тъй като фазовият фронт по определен ъгъл (ъгълът на Черенков) е фазово заключен, когато звуковите вълни, генерирани от главата на самолета в различни моменти разпространява се навън в сферичен вълнов фронт. По същия начин, ако се позволи на източник на радиация да надвиши скоростта на светлината, може да се произведе нов тип кохерентно електромагнитно вълново излъчване, оптично възбуждане. Въпреки това е невъзможно да накараме един и същ източник на радиация да надвишава скоростта на светлината във вакуум, тъй като специалната теория на относителността ни казва, че движението на който и да е обект не може да „надвиши скоростта на светлината“.
През последните години изследователският екип на Shenzhen University of Technology енергично насърчава изграждането на първата широкомащабна свръхинтензивна лазерна всеобхватна експериментална платформа (високомощно наносекундно-пикосекундно-фемтосекундно лазерно устройство) - серия от устройства Chenguang в местни университети . Важна изследователска насока на тази платформа е да се разработи нов светлинен източник на кохерентно лъчение и да се извършат свързани изследвания на приложението. Наскоро екипът предложи нов механизъм за кохерентно излъчване, базиран на колективното действие на електрони от основния принцип на кохерентното излъчване: чрез взаимодействието на релативистичен електронен лъч с плазма с бавно променящ се нагоре градиент на плътност, плазмена вакуола на постепенно намаляващият размер може да бъде стимулиран (размерът на вакуолата е в отрицателна корелация с плътността на плазмата), а плазмените електрони на различни позиции отскачат в края на вакуолата и излъчват в края на вакуолата, поради надлъжния размер на вакуолата. Електроните на плазмата на различни места отскачат от края на мехура и излъчват там. Тъй като надлъжният размер на мехурчето постепенно намалява, колективната скорост на неговата опашка е по-голяма от скоростта на задвижващия електронен лъч (близка до скоростта на светлината), което постига състоянието на "свръхсветлина" и по този начин излъчванията на различни електрони, генерирани тук, се наслагват кохерентно, за да образуват оптични възбуждания по ъгъла на Черенков. Източникът на радиационна светлина има много уникални свойства: не само ширината на импулса е изключително кратка, достигайки скалата на атосекундата, и интензитетът е много висок, пропорционален на квадрата на разстоянието на разпространение, но също така има отлична пространствена насоченост, много малка ъглова дисперсия , стабилна фаза на носещата обвивка и ултра-широк обхват на настройка на честотата.

(a) Схематична диаграма на релативистичен електронен лъч, удрящ плазма и генериращ вълна на оптично възбуждане в опашния край на вакуола; (b) Радиация на оптична възбуждаща вълна в опашния край на свръхсветеща вакуола, както се вижда в голяма суперкомпютърна числена симулация.
Горната работа илюстрира нов кохерентен радиационен механизъм, задвижван от електронен лъч, който нарушава ограничението на класическата кохерентна радиационна теория, която изисква размерът на електронния лъч да бъде много по-малък от дължината на вълната на радиацията. Междувременно тази работа предоставя проста и осъществима физическа експериментална схема за генериране на кохерентен светлинен източник, който се очаква да генерира висококачествени атосекундни субпериодични лазерни импулси при размер на масата, което ще има важно въздействие върху атосекундната спектроскопия на живи тъкани и клетки, ултрабърза молекулярна манипулация и диагностика, електронна метрология на атосекундната динамика и ултрависокочестотна обработка на сигнала на честотата на бийт-херц и други приложни изследвания. В допълнение, тази работа разработи първата паралелна изчислителна програма за кохерентно излъчване във времева област на далечно поле в Китай, разреши проблемите с тесните места на числената дисперсия и шума от трансформация в близко и далечно поле в традиционните симулационни методи и реализира високо време -пространствено разрешена самосъгласувана симулация на високочестотно лъчение, както и предоставен нов технологичен метод за разработване на нови кохерентни източници на лъчение.
Този резултат е друг важен пробив в генерирането на кохерентно лъчение, управлявано от електронен лъч, направен от изследователския екип по физика на висока енергийна плътност на Техническия университет в Шенжен, след публикациите от декември 2021 г. и май 2023 г. в Physical Review Letters. Струва си да се спомене, че португалски учени предложиха подобен физически механизъм и схема почти едновременно с екипа и свързаната работа беше приета от Nature Photonics, списание под Nature.
Това изследване беше финансирано и подкрепено от Програмата за ключови изследвания и развитие на Министерството на науката и технологиите на Китай, Националната природонаучна фондация на Китай (NSFC), Програмата за създаване на ключова лаборатория в Шенжен и Програмата за изключителен младежки фонд в Шенжен. Симулационната работа беше извършена на почти трилион пъти/секунда суперкомпютърна симулационна платформа на Advanced Materials Testing Technology Research Center на Shenzhen University of Technology.