[发明专利]激光等离子体光学装置及产生超短超强中红外脉冲的方法

说明书

本申请公开了一种激光等离子体光学装置，包括激光系统、真空靶室、气体靶产生装置和聚焦元件。其中，激光系统用于输出驱动光脉冲和信号光脉冲；所述气体靶产生装置用于产生气体，并通过毛细管高压放电电离(或激光皮秒预脉冲烧蚀)气体形成所需要的等离子体通道靶；在通过聚焦元件将驱动光脉冲聚焦到产生的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；并且在延迟预定时间T后，再通过聚焦元件将信号光脉冲聚焦到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得信号光脉冲的频率发生红移，产生超强近单周期中红外脉冲，该中红外脉冲是目前传统光学装置无法达到的，对基础科学研究、医学和工业应用等具有潜在的广泛应用价值。

技术领域

本发明涉及激光等离子体物理和非线性光学领域，特别涉及一种超短脉冲强激光驱动的等离子体光学装置及产生单脉冲能量达到数毫焦、相对论强度、近单周期的中红外光脉冲的方法。

背景技术

中红外波段(3—20[μm]微米)激光脉冲在基础科学研究、生物医学应用、精密制造等领域有着重要的应用价值。由于该波段光谱覆盖了大量有机分子的特征振荡模式，可以产生特征振荡吸收光谱，因此具有独特的诊断识别和操控研究能力。特别是，超短超强中红外激光脉冲的产生为科学研究带来了重要的研究手段，例如可以实现超高次谐波辐射、高能阿秒(1阿秒＝10^-18秒)脉冲、多维红外光谱学、超快动力学成像、粒子加速等。

目前，产生超短超强中红外光脉冲的方法主要是基于传统非线性晶体材料技术。但是，由于受限于晶体材料的频率带宽、损伤阈值、能量增益等限制，难以产生高强度、数毫焦(1毫焦＝10^-3焦耳)、少周期的中红外光脉冲。随着光周期数的减少和波长的增加，高强度、高能量、少周期中红外光脉冲的产生将变得更具挑战，已成为当前光物理科学的难题之一。当前，基于晶体材料光学技术获得的近单周期中红外脉冲能量典型的限制在几十微焦(1微焦＝10^-6焦耳)，峰值强度(I₀)约为太瓦每平方厘米(10¹²W/cm²)量级内，这极大地限制了它们的研究能力和应用范围。当驱动光场具有更长的波长(λ)、更高的光强、更短的振荡周期以及更高的脉冲能量时，将极大地增强它的研究与应用能力，例如可以利用这种光脉冲与气体原子作用产生更亮、更短的阿秒脉冲光源，并将使得产生的光子能量(正比于光强和波长的平方的乘积I₀λ²)拓展到硬X射线能量范围。此外，当驱动光场峰值强度达到相对论强度时(I₀～(1/λ²[μm])×10¹⁸W/cm²)，其可能会打开中红外光学波段的相对论非线性光学，并将为科学研究带来前所未有的探索能力和机遇。在此之前，唐娜·斯特里克兰(DonnaStrickland)和杰哈·莫罗(Gerard Mourou)于1985年发明的啁啾脉冲放大技术使得近红外波段(激光波长在1微米左右)的激光强度得到了显著的增强(超过了10¹⁸瓦特每平方厘米)，首次使得激光强度达到了相对论强区域。由于该技术发明革新了激光物理与技术科学，开启了非线性光学领域，且为诸多科学研究带来的重要研究价值。上述两位科学家因此被授予2018年诺贝尔物理学奖。迄今为止，相对论非线性光学主要局限在近红外波段。

近年来，基于激光等离子体光学方法产生新型辐射光源的研究得到了广泛的关注和发展。相比于传统光学晶体材料，等离子体作为载体媒介可以承受极高功率、强度和能量的激光脉冲，从而适合控制和产生高强度光脉冲和高能辐射源。目前，基于激光等离子体光学方法，研究人员已经研究发明了可以产生各种波段光源的机制，如可以通过超高功率相对论强激光脉冲在等离子体中的自调制和自压缩效应产生超短超强中红外脉冲。但是，通过脉冲自调制和自压缩产生的中红外脉冲效率很低(一般不到百分之几)，光谱可调性较差且是个连续的超宽光谱。另外，需要入射的激光脉冲达到百太瓦级功率和单脉冲达到焦耳级能量，这将需要大型、昂贵的激光装置。目前只有一些中、大型实验室才具有这样的激光装置，其运行重复频率一般只有几个赫兹、且稳定性相对较差。这些极大地限制了该机制方案的实际用途、应用价值及范围。