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  • 时银 ( 特任教授 )

    的个人主页 http://faculty.ustc.edu.cn/shiyin/zh_CN/index.htm

  •   特任教授   博士生导师   硕士生导师
科学研究 当前位置: 中文主页 >> 科学研究

    等离子体是以自由电荷为主构成的宏观多粒子系统。在自然界中,等离子体是星际介质、恒星、地球电离层等物质存在的主要形态,约占宇宙可探测物质的95%以上;在实验室中,等离子体则与受控核聚变、等离子体刻蚀、光刻机光源等紧密联系。高功率激光可以在实验室产生毫米以下尺度的等离子体,其温度和压强都可以超过太阳的中心。通常将极端高温高密度的物质状态的研究称之为高能量密度物理。本人的研究主要是利用高功率激光产生等离子体,所以下面主要讨论激光等离子体。全世界都已建成或拟建有大型高功率激光装置,主要分短脉冲强场和长脉冲高能量两种类型,比如中国的10拍瓦激光装置(SULF,羲和)和神光系列装置,美国的国家点火装置和Omega激光装置,欧盟的ELI激光装置,英国CLF激光装置,法国LMJ激光装置等。 强激光产生并与等离子体相互作用的过程,可带来诸如激光可控核聚变、新型辐射源、小型离子加速器等实际应用。激光驱动的惯性约束聚变属于综合性的大科学工程,其中可以分解成无数的具体问题,比如如何产生自生强磁场,如何产生准直性更好的热电子等。这些知识本身又会带来如新型辐射源和台式加速器等应用,可具体用于光刻机光源等。众所周知,中国芯最大的挑战之一就是光刻机。这又是一个无比复杂的综合科技。但分解成若干科技后,许多技术又可以集合到一些基础科学研究。这里就包括激光等离子体物理。有时候,肉眼所见(可见光+大脑里演化出的空间模型)的“直”(directly)径并非最短路径或突破口。

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    激光等离子体物理中常常涉及到极端参数(温度、密度、电场和磁场等),多体和大小尺度耦合。这种强非线性系统,一个参数的微小变化就可以带来系统的巨大改变。针对这种复杂系统,传统的分析方法如微扰理论和第一原理的模拟,都变得很有限。但强非线性效应也让超强激光技术有望产生丰富的次生技术。同时,全球越来越多的激光装置和诊断手段的改进,也让数据的处理变得棘手。综合来说,更精确、多样的诊断手段,诊断数据的机器分析,新的物理模型和并行模拟代码,成了理解此种多尺度耦合、高度非线性系统的必备。换个角度,作为科学最前沿的复杂问题,对于全新技术比如机器学习,也提出了新的检验场所。比如,DeepMind公司的人工智能算法只有在围棋和蛋白质结构解析等领域得到检验,才获得巨大影响力。从现代科学活动看,激光等离子体的研究方向既没有太理论化,容易向形式主义转变,最后与物理学的实际问题脱离关系(比如一些理论物理方向);也没有离基础理论太远,变成缺少智识的机械操作学科,从而难以借助基础理论的凝练和体系化优势(比如一些材料和生物方向)。同时该研究方向也很好地体现了不同于经典学科方法的一些特点,比如对学科交叉的开放态度(参考‘the data driven future of high energy density physics’)。该学科的影响力,也体现在处理对象的巨大Power,依赖巨大峰值功率(远大于三峡大坝的发电功率)的激光技术,相互作用区域可以比拟宇宙中最极端的环境(比如太阳、中子星等,所以无论是惯约可控聚变还是实验室天体物理,我们都可以被称作star builder)。总之,该方向很好体现了,逻辑符号(数理模型、程序代码),借助最尖端的powerful技术,对物质世界产生巨大影响。这对于训练现代科学思维也非常有用。

     

    研究活动主要涉及到:

    (1)高功率激光与物质相互作用(激光的描述,高功率激光技术、超短超快激光技术、强激光与稀薄等离子体作用、强激光与固体等离子体作用、粒子加速和辐射等);本科是物理、光电或光学等相关专业的可以报考。

    (2)等离子物理(流体模型、动理学模型、各种波、电磁波在其中传输、辐射和输运等);本科是物理等相关专业的可以报考。

    (3)激光物质相互作用中的建模与模拟(流体、PIC、VFP模型,Fortran  Or  C++  Or  python  Or  Matlab等,并行计算,机器学习);本科是计算机、软件工程等相关专业的可以报考。

    (4)激光等离子体相互作用中的诊断(质子照相、X光照相、汤姆逊散射成像等)。本科是物理和光电等相关专业的可以报考。

    理解激光等离子体物理,在理论和实际方面都很重要。相关研究有利于激光聚变、天体物理和物理基本问题(比如强场物理中的辐射反作用力和真空极化等,甚至利用超强激光在真空中产生正负电子对,无中生有),也有利于一些尖端的工业和国防应用,比如台式化的光源和粒子加速器,可用于工业和癌症治疗等。对于应用研究,商业化的几百TW的激光系统可以提供工业技术的基础。而作为科研的最前沿研究,我国也有战略性的长期投入,比如中国正在建的100PW激光系统。该领域内,国家投入很多钱,所以非夕阳学科。不唯文章,但PRL的plasma&beam版块内,激光等离子体有关的比例高。同时,学科生态多样,避免单一化发展的危险。


    激光等离子体的研究中,以往多涉及到光与物质之间的能量和动量的传递。本人的研究领域为强激光与等离子体相互作用中的轨道角动量效应。尤其考虑世界上各大型激光装置产生相对论强度的涡旋光,以及实验上带来的全新可能。本人主要利用PIC模拟和理论,从能量、动量和角动量三个角度来理解激光与等离子体相互作用。其潜在的应用包括粒子加速、X光辐射、自生磁场等。相关结果也与国内外各大实验室建立有合作关系。代表性成果有:(1)相对论涡旋光的产生首次在国内外开展了相对论涡旋光产生的研究。相关成果发表后, 国际著名的物理学术论坛Phys.org做了报道(Feature stories,1219次分享); 同时,Nature Photonics的Research Highlights专栏做了推荐报道(Nat. Photonics 8, 585 (2014))。 2015年,国家自然科学基金委的《Science Foundation in China》邀请发表了相关工作的综述文章(v23, 48, (2015))。(2)涡旋等离子体波的概念以及新的磁场产生方法利用两束不同频率和不同涡旋指数的拍频涡旋光,对传统的有质动力分布引进了一个新的角方向分量。由此驱动产生了新型的涡旋等离子体波。(3)携带OAM的热电子对磁场的放大研究了普通相对论激光与磁化等离子体薄靶相互作用时,携带OAM的热电子对磁场的局部放大效应。(4)涡旋光加速产生高质量高能阿秒电子束。利用超强相对论涡旋光的独特轴向电场与固体等离子表面相互作用,观察到连续的电子脉冲链注入并加速至GeV的高能。

     

    小组的训练目标,也是可迁移能力的培养,包括:(1)对科学和提升智识的兴趣;(2)物理科学(电动力学、激光原理与技术、经典力学、数学物理等);(3)数据编程分析(Matlab Or Python, Fortran Or C++, Linux), 数据可视化,甚至Data Science;(4)English 阅读、沟通、写作;5)科学提问、展示交流、学术网络和影响力、项目申请。

     

    欢迎物理学、光电科学与工程、计算机系等背景的学生,联系大学生研究活动和报考研究生。

    国内外合作者包括中科院上海光机所的强光、神光实验室;美国加州圣迭戈分校UCSD的Alexey Arefiev教授和英国帝国理工学院Imperial College London的Robert Kingham 博士等。

     

    具体我们主要利用超算上的模拟程序,依托已有和在建的高功率激光系统(比如神光系列和羲和装置),产生自生强磁场、高速旋转环境和高品质电子束和X光束。诊断方面有关的理论和实验,本小组也和郑坚老师有合作。

    (1) 强磁场和高速旋转环境将用于研究对高能量密度等离子体的影响,并模拟相关天体现象。

    (2) 高品质电子束和X光束将用于实验诊断工具。

    (3) 新的诊断原理和方法探索。 这部分尤其探索不同的辐射机制中涡旋相位面的信息提取。



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    (I)强磁场和高速旋转环境

     

    近年来,大型激光装置上的强磁场带来了许多新的研究机遇,包括高能量密度物理、核聚变物理和实验室天体物理等。实验室天体物理有关的研究内容有磁重联、粒子加速等。尤其,天空环境充满磁场分布,许多天文现象都与磁化等离子体有关。以往产生轴向准直强磁场的方法有,逆向法拉第效应、激光驱动线圈、内爆磁场放大等。其中,逆向法拉斯效应有其相对的简单性和易操作性。传统的逆向法拉第效应是基于圆偏振激光光子的吸收。尽管从轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)守恒角度较容易理解,但涉及到吸收机制、提高产生磁场强度等问题仍然有待研究。我们将通过理论和PICParticle-in-Cell)模拟,利用涡旋光束或多光束环境,寻找更高效的OAM传递机制,从而产生更高的准直自生强磁场,并分析等离子体携带OAM的分布和生成几特斯拉甚至上千特斯拉强度的准直强磁场。由于其准直的拓扑结构相对简单,我们期望在大型激光装置产生的强磁场和高速旋转等离子体环境中,对高能量密度等离子体将产生显著影响,比如质子加速、热电子输运等,并有望模拟更丰富的天体现象。

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    Ref.

    (1)Y. Shi* et al. PRL 121, 145002 (2018);

    (2)Y. Shi, Baifei Shen* et al. PRL 112, 235001 (2014);

    (3)Y. Shi* et al. JUSTC 53, 3(2023);

    (4)D. R. Blackman et al. Phys. Plasmas 29, 072105 (2022);

    (5)Y. Shi et al. New Journal of Physics. 22, 073067 (2020);

    (6)Y. Shi* et al. PRL 130,155101 (2023);

    (II)高品质电子束和X光束

     

    已有的研究表明相对论强度的涡旋光束在紧聚焦情况下,轴向电场和轴向磁场也可以到达相对论量级。利用得到的轴向场,可以加速获得亚飞秒的高能电子脉冲链。功率为P[PW]的涡旋光,利用等离子体镜在束腰注入电子可以加速获得能量为E = 500*P^0.5 [MeV]。对于1PW的激光系统,单个电子束的能量可达500MeV,电荷量可达10pc量级。利用神光II 的皮秒、拍瓦激光系统,经过涡旋波前调制,有望获得300个亚飞秒的电子束脉冲链,总电荷量可达10nc。由于具有亚飞秒的时间尺度,有望在后续波荡器中获得相干性较好的X辐射源。不同于激光等离子体尾场加速电子获得单发电子束,该机制可以很好利用皮秒、拍瓦(约1千焦耳)激光系统。对比通常的固体高次谐波机制,后者可以在固体表面产生亚飞秒的密度调制。但电子的平均能量最大可以近似为E = 25*P^0.5 [MeV]。比较之下,加速获得的电子脉冲链相比表面电子震荡,对于高能量光子的生成有望更有优势。加速获得的电子束脉冲链也可以注入后续的波荡器,后者将更利于高品质X光源的生成,并用于等离子体诊断。同时,加速获得的亚飞秒电子束本身也可用于纳秒或皮秒系统生成的等离子体的状态诊断。高密度等离子体的诊断常常是低频率探测光无法抵达的,所以发展高品质电子束和X光束可用于“看见”等离子体内部状态,进而有助于研究输运等基础问题。

                                                  

     

    Ref.

    (1)Y. Shi* et al. Phys. Rev. Lett. 126, 234801(2021);

    (2)Y. Shi*, Plasma Phys. Control. Fusion 63 125032(2021);

    (3)Y. Shi*, High Power Laser Sci. Eng. 10, e45(2022)(封面文章);

    (4) Y. Shi, Baifei Shen* et al. PRL 112, 235001 (2014);  

    (5)D. R. Blackman, Y. Shi et al. Commun. Phys. 5:116 (2022);

    (6) Y. Shi* et al. PoP 20, 093102 (2013).


    (III)新的诊断原理和方法探索


    等离子体诊断手段中,电磁场的散射占据了重要角色。频谱和偏振都携带可提取的信息,也是常见的测量目标。与此同时,光场的波前态也携带着额外信息。比如常见的涡旋光,又称轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光或Laguerre Guassian(LG)光。涡旋光已在量子光学、光通信等领域获得较多研究。但等离子体诊断中尚未有人明确提出利用电磁场的波前测量。对于额外维度的信息测量,总是有望获得更多的信息。尤其考虑到等离子体中的涡旋波、磁化效应等,利用已有的诊断手段不能很好地获得信息。探索OAM的测量来诊断等离子体就显得很有必要。在最前沿的强场QED的研究中,新的诊断方法也需要提出来测试相关理论。诊断手段的提升非常有利于我们对背后物理的理解甚至操控,能极大促进高能量密度物理的研究。大型计算和模拟,也对于新型诊断原理的探索至关重要。

     

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    Ref.

    (1)Y. Shi, Baifei Shen* et al. PRL 112, 235001 (2014);

    (2)Alexander Pukhov et al. PRL 127, 175001(2021);

    (3)M. Katoh et al. PRL 118, 094801(2017);




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