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近日，上海交通大學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的超快全光調制器，能夠快速地調制強光的頻譜和時空特性的方法，相關研究成果近期發表在Nature Communications [Lu-Le Yuet al., Nat. Commun.7, 11893 (2016)]上，論文題目為：《Plasma optical modulators for intense lasers》

強激光與物質的作用的效應非常依賴于激光場的時空特性，因此調控強激光脈沖的時空特性就可以在很大程度上調控強激光與物質的相互作用，這對很多應用極為重要。當激光光強大于一定幅度時，普通物質被光場電離后形成等離子體。這時強激光與物質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空密度結構，使其成為一種新型的獨一無二的光學介質，用于對強激光進行調控。目前人們已經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操控強激光脈沖，但這些都難以用來實現對強光的頻譜進行深度調制。傳統的光調制器是高速光通信和集成光學的關鍵器件，被廣泛用來實現對光信號的振幅、頻率、相位和偏振狀態的調制。但這類調制器的調制速度目前僅限于100GHz量級（相應地調制頻譜較窄），而且光損傷閾值很低，例如最新的摻氧化鎂鈮酸鋰電光調制器能承受的最大激光強度在10²W cm^-2量級，難以用來對強光進行調制。

研究團隊先用一束具有弱相對論光強的超短飛秒激光脈沖在亞毫米尺度的稀薄氣體中激發起一種電子等離子體波（類似于船在水中航行時留下的尾跡）。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。當另外一束有一定時間延遲的、同向傳播的皮秒信號脈沖傳輸到等離子體波區域時，它的振幅和頻率能夠快速地被等離子體波同時調制，產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。這種等離子體調制器能夠承受的激光脈沖強度可比傳統的弱光調制器的光強閾值高十幾個數量級，調制速度快1-2個數量級。由于實現等離子體調制器所需的激光條件已經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THz輻射產生、超亮X射線產生和激光聚變領域獲得應用。  

本工作得到了國家科技部重點基礎研究發展計劃和國家自然科學基金項目的資助。