近日，上海交通大學(xué)物理與天文系於陸勒、盛政明以及合作者提出了一種基于等離子體介質(zhì)的超快全光調(diào)制器，能夠快速地調(diào)制強(qiáng)光的頻譜和時(shí)空特性的方法，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Nature Communications [Lu-Le Yuet al., Nat. Commun.7, 11893 (2016)]上，論文題目為：《Plasma optical modulators for intense lasers》

強(qiáng)激光與物質(zhì)的作用的效應(yīng)非常依賴于激光場(chǎng)的時(shí)空特性，因此調(diào)控強(qiáng)激光脈沖的時(shí)空特性就可以在很大程度上調(diào)控強(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用，這對(duì)很多應(yīng)用極為重要。當(dāng)激光光強(qiáng)大于一定幅度時(shí)，普通物質(zhì)被光場(chǎng)電離后形成等離子體。這時(shí)強(qiáng)激光與物質(zhì)的作用就變成了激光與等離子體的作用。由于等離子體沒有激光損傷閾值、可以通過塑造一定的時(shí)空密度結(jié)構(gòu)，使其成為一種新型的獨(dú)一無(wú)二的光學(xué)介質(zhì)，用于對(duì)強(qiáng)激光進(jìn)行調(diào)控。目前人們已經(jīng)提出或者利用等離子體反射鏡、等離子體光柵、等離子體透鏡、等離子體通道、等離子體拉曼放大器等來(lái)操控強(qiáng)激光脈沖，但這些都難以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)光的頻譜進(jìn)行深度調(diào)制。傳統(tǒng)的光調(diào)制器是高速光通信和集成光學(xué)的關(guān)鍵器件，被廣泛用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的振幅、頻率、相位和偏振狀態(tài)的調(diào)制。但這類調(diào)制器的調(diào)制速度目前僅限于100GHz量級(jí)（相應(yīng)地調(diào)制頻譜較窄），而且光損傷閾值很低，例如最新的摻氧化鎂鈮酸鋰電光調(diào)制器能承受的最大激光強(qiáng)度在102W cm-2量級(jí)，難以用來(lái)對(duì)強(qiáng)光進(jìn)行調(diào)制。

研究團(tuán)隊(duì)先用一束具有弱相對(duì)論光強(qiáng)的超短飛秒激光脈沖在亞毫米尺度的稀薄氣體中激發(fā)起一種電子等離子體波（類似于船在水中航行時(shí)留下的尾跡）。該等離子體波跟隨激光脈沖以接近真空中光速的相速度傳播，其特征振蕩頻率在THz量級(jí)。當(dāng)另外一束有一定時(shí)間延遲的、同向傳播的皮秒信號(hào)脈沖傳輸?shù)降入x子體波區(qū)域時(shí)，它的振幅和頻率能夠快速地被等離子體波同時(shí)調(diào)制，產(chǎn)生具有非常大的頻譜帶寬脈沖列，其低頻部分甚至能延伸至中紅外波段。這種等離子體調(diào)制器能夠承受的激光脈沖強(qiáng)度可比傳統(tǒng)的弱光調(diào)制器的光強(qiáng)閾值高十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)制速度快1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。由于實(shí)現(xiàn)等離子體調(diào)制器所需的激光條件已經(jīng)可以通過商品化激光器獲得，它有望成為一種新型的等離子體光子器件，在強(qiáng)THz輻射產(chǎn)生、超亮X射線產(chǎn)生和激光聚變領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 

本工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。