电磁波(比如激光)在等离子体中的传输是等离子体物理的一个基本问题。一般情况下,电磁波无法在高密度(overdense)等离子体中传输,但是其传输和能量传递在快点火激光聚变、激光粒子加速、以及超短超亮辐射源等应用中均起着关键作用。
1996年,斯坦福大学的S. E. Harris教授受原子物理中电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)概念的启示,提出了等离子体中的电磁感应透明(EIT)机制,即在一束高频激光的帮助下,原本无法传输的低频激光可以在高密度等离子体中传输。然而,后续研究表明EIT无法在有边界的真实等离子体中发生,但这些研究仅限于弱相对论激光强度范围。
近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心李玉同研究员和中国人民大学物理系王伟民教授研究团队,利用自主开发的KLAPS粒子模拟程序,发现低频激光与相对论强度高频激光同时入射到等离子体后,低频激光可以穿透此等离子体;但是当两束激光的偏振垂直时,此反常传输现象消失,因此排除了常见的相对论透明效应。研究团队发展了相对论光强下的三波耦合模型,给出了EIT发生的频率通带。
在相对论光强条件下,该通带的宽度足以保证低频激光的稳定传输;但是在弱相对论光强条件下,该通带会变窄为一个孤立点,难以持续发展,这解释了以往研究中在弱相对论性条件下EIT效应无法发生的原因。
该工作表明在原子物理中出现的电磁感应透明效应也能在等离子体物理中发生。此现象可直接应用于双锥对撞点火(DCI)和快点火激光聚变中,以提高激光耦合效率和快电子产额。
相关研究成果以“Electromagnetically Induced Transparency in the Strongly Relativistic Regime”为题于2024年2月7日发表在《物理学评论快报》(Physical Review Letters)上。
中国科学院物理研究所博士生张铁怀为该文第一作者,中国人民大学王伟民教授、中国科学院物理研究所李玉同研究员为通讯作者,张杰院士为共同作者。该研究选题来自于张杰院士领导的中国科学院战略性先导科技专项(A类)“新型激光聚变方案研究”,该项研究还得到国家自然科学基金委等的支持。