近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室在超強超短激光驅(qū)動電磁脈沖規(guī)律和機理方面取得進展，系統(tǒng)研究了電磁脈沖頻譜特性、強度分布以及隨激光能量、脈寬以及焦斑等參數(shù)的規(guī)律變化，闡述了超強超短激光與固體作用產(chǎn)生電磁脈沖的關鍵影響因素及產(chǎn)生機理。相關成果以“Gigahertz electromagnetic pulse emission from femtosecond relativistic laser-irradiated solid targets”為題發(fā)表在Optics Express上。

強激光與固體作用會產(chǎn)生高強度、寬頻譜的電磁脈沖輻射。射頻-微波范圍的瞬態(tài)電磁場可以達到相當高的強度。監(jiān)測電磁脈沖的水平對于開發(fā)高功率、高能量激光裝置至關重要，目前大部分激光裝置，尤其是在飛秒強激光裝置，在設計階段缺乏對電磁脈沖的考慮，仍然缺乏對電磁脈沖特性的系統(tǒng)研究。另外，還可以作為激光等離子體相互作用診斷工具，因為相關電磁脈沖的電場和磁場的強度、時間和光譜特征可與實驗中的特定相互作用條件相關聯(lián)。因此，探索電磁脈沖的驅(qū)動規(guī)律，研究電磁脈沖的產(chǎn)生機制具有重要意義。

該研究中，研究團隊開展了在真空條件下超快飛秒強激光-固體材料作用產(chǎn)生電磁脈沖實驗研究，測量了激光參數(shù)條件（激光能量0.06 J ~ 3 J，激光脈寬29 fs ~ 115 fs，激光焦斑19  ~ 120 ）以及材料類型下的電磁脈沖頻譜特性、強度分布，實驗中激光功率密度范圍為1017到 1019 W/cm2，電磁脈沖主要頻率在0.25 GHz左右，最強場強會達到MV/m。分析表明，電磁脈沖主要源自靶-支撐桿-大地之間的中和電流所產(chǎn)生的振蕩，闡明并驗證了短脈沖（亞皮秒和飛秒）激光驅(qū)動電磁脈沖的發(fā)射機制。實驗上證實了理論預期，成功地解釋了能量（圖1）、脈寬（圖2）、焦斑（圖3）等參量變化下飛秒激光脈沖驅(qū)動產(chǎn)生電磁脈沖能量的規(guī)律，為深入理解超強超短激光與固體作用產(chǎn)生電磁脈沖的機理以及開拓其新應用提供了可靠的科學依據(jù)。

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圖1. (a)不同激光能量下測得的電磁脈沖電場能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光能量下的電磁脈沖時域波形及(d)相應頻譜。

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圖2. (a)不同激光脈寬下測得的電磁脈沖電場能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光脈寬下的電磁脈沖時域波形及(d)相應頻譜。

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圖3. (a)不同激光焦斑下測得的電磁脈沖電場能量及(b)電磁脈沖能量理論值。(c)不同激光焦斑下的電磁脈沖時域波形及(d)相應頻譜。

相關工作得到國家自然科學基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國博士后科學基金、上海市科技啟明星揚帆計劃等支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.510468