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上海光机所产生最强涡旋光镊并成功驱动高能环形质子加速

来源： 发布时间：2020-07-23【字体：大 中 小】
　　近期， 强场激光物理国家重点实验室在新型相对论“光镊”研究方向取得重要突破，产生国际最强涡旋激光并成功驱动高能环形质子加速，开启了新型相对论涡旋“光镊”产生和应用的实验大门。相关成果发表于物理学国际顶级期刊《物理评论快报》【Physical Review Letters 125, 034801 (2020)】。
　　2018年诺贝尔物理学奖分别颁给了A. Ashikin, G. Mourou, 和 D. Strickland，表彰他们在激光物理领域的突破性发明。A. Ashikin于1970年发明了“光镊”技术，其中拉盖尔高斯（LG）激光（涡旋光）被认为是一种很好的“光镊”；1985年，G. Mourou, 和 D. Strickland两人则发明了啁啾脉冲放大（CPA）激光技术。 “光镊”和相对论CPA激光技术这两项之间并没有紧密联系，主要原因在于以前弱光领域内产生涡旋“光镊”的相位调制器等元件存在阈值限制，无法应用于相对论领域，严重阻碍了超强涡旋“光镊”在实验中的实现和有效应用。
　　研究团队于2019年在理论模拟上首次实现了光镊和CPA技术的结合——新型相对论“涡旋刀”【Wang et al. PRL 122, 024801 (2019)】。在本次研究中，该团队进一步在上海光机所强光PW激光装置上引入大尺寸反射式相位板，采用先反射产生涡旋激光模式再紧聚焦的方法，首次在国际上产生了最高强度的飞秒PW涡旋激光，强度高达6.3×1019 W/cm2。通过惠更斯-菲涅尔（Huygens-Fresnel）模型计算，验证了这种方法产生相对论涡旋激光的有效性；利用中空的超强涡旋激光，完成了原理性实验验证，成功产生了规则的高能环形质子束。三维理论模拟研究证明：超强涡旋激光特有的中空光强分布可驱动相应的激波加速机制，最终可实现新型相对论涡旋“光镊”对质子束的环形操控。该技术可应用于PW、10PW、甚至未来100PW激光系统，为产生重频超强涡旋激光提供一种可行的有效方案，并可实现新型相对论涡旋“光镊”在相对论等离子体中“螺旋锥钻孔”和环形等离子加速等应用。相关研究对于惯性约束聚变中的快点火、涡旋高次谐波产生、涡旋加速导致的巨磁场产生、聚束粒子加速、天体物理中喷流形成等研究方向，具有广泛且重要的应用价值。
　　相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、上海市军民融合发展专项资金科技创新支持项目基金支持。（强场激光物理国家重点实验室供稿）。

图1 实验布局图

图2 质子空间分布图

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