深技大團隊發現阿秒脈沖相干輻射新機制

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近日，深圳技術大學教授阮雙琛、周滄濤團隊提出了基于超光速等離子體尾波場產生阿秒脈沖、亞周期相干光激波輻射的物理方案，并闡釋了一種由電子集體作用主導的全新相干輻射產生機制。研究成果發表于《物理評論快報》上。

電磁波輻射在生活中隨處可見，如可見光波段的太陽光、燈光，微波波段的手機和WIFI信號等。然而，自然界的光大多都是非相干光，它們具有復雜的頻率、很寬的空間指向和混亂的相位。上世紀60年代，人類發明了第一個相干光源，即激光。相干光源所包含的各光譜成分具有相干性，各成分的相位差是固定的，因此可以實現光脈沖的調制和壓縮，從而獲得持續時間極短、峰值功率極高的相干光源，在科研、工業和軍事到通訊、娛樂和藝術等領域應用廣泛。

相干光源產生的關鍵是鎖相，即讓每個參與輻射的微觀粒子之間的相位相同，激光的產生就是基于愛因斯坦提出的受激輻射原理，即粒子數反轉的原子會釋放出同入射光子相位一致的出射光子；而自由電子激光這種超大科學裝置是基于電子束的微聚束效應，從而保證每個電子的運動相位一致。在自然界中，存在著另外一種波的鎖相機制——激波。

例如，當超音速飛機飛行速度超過空氣中的音速時會產生聲激波，這是因為飛機頭部在不同時刻產生的聲波以球形波前向外擴散時，沿著一個特殊角度的相位前沿是鎖定的。同理，如果讓輻射源超過光速，就可以產生一種新的相干電磁波輻射——光激波。然而讓同一輻射源在真空中超光速是不可能的，因為狹義相對論認為任何物體的運動都不可能“超光速”。

在該研究中，阮雙琛、周滄濤團隊從相干輻射基本原理出發，提出了一種基于電子集體作用的全新相干輻射機制：通過相對論電子束與具有緩變上升密度梯度的等離子體相互作用，可以激發一個尺寸逐漸變小的等離子體空泡，不同位置處的等離子體電子在空泡尾端反彈并在此輻射，由于空泡縱向尺寸逐漸縮小，其尾端前進的集體速度大于驅動電子束速度，達到“超光速”條件，因而不同電子在此處產生的輻射沿著契倫科夫角度相干疊加形成光激波。

據介紹，該輻射光源不僅脈沖寬度極短，達到阿秒尺度，并且強度很高，與傳播距離的平方成正比，同時具有極佳的空間指向性、極小的角散、穩定的載波包絡相位和超寬的頻率調諧范圍。

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