等离子体|观察到激光等离子体的超快跳舞运动等离子体

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江苏激光联盟导读：科学家为大家展示了一个通过高强度的25 fs激光脉冲对固体目标产生热致密的等离子体进行时空演变的测量，使用的是一个泵浦探测二维多普勒光谱仪进行的测量。测量了时间变化时在不同位置沿着探测的光束变化的多普勒偏移，我们可以实现在几百飞秒的时间分辨率条件下获得速度图像，与此同时在穿过等离子体横向长度的几个微米的空间分辨率条件下实现。 2D颗粒-细胞并结合2D反射氢动力代码的模拟结果同实验结果非常吻合。
▲图1. 一个二维多普勒激光分光计捕获高强度、飞秒激光所诱导的热的、致密的等离子体在固体表面的不同位置的运动的情况
在观察快速运动的物理现象这一研究领域，在弥补科学与技术之间的鸿沟方面取得了巨大的进展。自红外到X射线区域的飞秒激光已经促使我们可以观察，实时的观察原子在分子层面的跳舞运动和固体在飞秒以及皮秒时间层面的运动。观察到这些令人惊奇的运动现象不仅是实时的可以观察到，允许在这些运动发生的时候还可以观察到他们的空间位置，这一直是一大挑战。
比较精确的是这一先进技术已经被来自Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所，位于印度的孟买） York University（约克大学）和 the Rutherford Appleton Laboratories（英国卢瑟福.阿普尔顿国家实验室）的联合研究团队所实现。他们使用一个超高的强度(1019 W/sq.cm) 25 fs的激光脉冲作为探头来轰击固体表面以实现一个热的、致密的等离子体和监控它的快速运动，其快速运动是通过反应一个二次飞秒脉冲作为探头来实现的。多普勒在波长上偏移的位置位于反射的探头脉冲上，是通过一个快速的演变的等离子体来使得等离子体的外部（蓝色偏移）和内部（红色偏移）。
▲图2. 测量在不同时间延迟的条件下得到的空间分辨率的多普勒偏移和速度图像。速度图像是从测量得到的多普勒偏移数据中获得的
【等离子体|观察到激光等离子体的超快跳舞运动】在这之前，没有一个实验研究是可以实现在一个单个的实验研究中心捕获整个等离子体的表面运动的-在跳舞的平面上。这一团队耦合飞秒激光的时间分辨率和微米级别的空间分辨率，他们成功的捕获了在不同的横向位置下的等离子体的超快速扭转和旋转。
实验同时设计了一个新颖的2D激光多普勒监控设备，具有16个独立的、单个热的、高分辨率的分光计，所有的都可以通过泵浦的激光脉冲来触发和即时捕获等离子体自不同的空间位置的瞬时速度。他们的研究结果表明等离子体运动时在不同的时间的进入和出来的不同比例，同通常实验所得到的均匀运动相反。这一新的办法可以证明是非常有用的，可以用来追踪沿着物体表面的热和能量的流动并观察等离子体的不稳定性，这对理解激光等离子体科学与技术并推动高强度、飞秒激光驱动的激光等离子体在影像学和激光熔化上的应用具有非常重要的意义。
▲图3. 模拟的时间序列的结果，使用的办法是结合h2d反射-氢动力学和回声PIC代码进行研究得到的结果
采用超高强度的激光在固体目标表面产生的热、致密的等离子体的运动。该动画阐释了在不同的等离子体运动进入和出去的区域在不同时间条件下的高速运动，同通常的我们所认为的均匀运动的结果非常不一样。
本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以\"two-dimensional spatial Doppler mapping of ultraintense laser-solid target interaction\"发表在Physical Review Research (2021)上。