Controlling the velocity of ultrashort light pulses in vacuum through spatio-temporal couplings
由于其宽的光谱宽度，超短激光器提供了新的可能性来塑造光束并控制其特性，特别是通过使用时空耦合。在这方面，我们提出了一个理论研究的线性传输的超短激光束，结合时间啁啾和标准的像差称为纵向色差。当这样的光束在真空中或线性介质中聚焦时，这两种效应的相互作用可以被利用来将所得强度峰值的速度设置为瑞利长度内的任意值，即精确地在通常使用激光脉冲的地方。这种光束可以在控制激光与物质的相互作用方面找到突破性的应用，特别是在激光驱动的粒子加速方面。
2017-08-21 physics.optics
Spatio-temporal characterization of ultrashort laser beams: a tutorial
超快激光脉冲的时间特性已经成为超快光学实验室的基础能力，并且对于优化激光脉冲持续时间和设计定制场都是常规的。除了纯粹的时间表征之外，时空表征提供了对激光脉冲的空间变化的时间特性的更完整的测量。这些所谓的时空耦合（STC）通常是不可分离的色差，其可以由非常常见的光学元件（例如由色散材料制成的衍射光栅和厚透镜或棱镜）引起。在本教程中，我们将介绍STC并详细了解它们的行为，以便掌握背景知识，同时也为表征设备的设计提供信息。然后，我们概述了广泛的时空表征技术，以期提到大多数技术，但也提供了一些选择的方法更详细。目的是为该领域的新手提供各种技术的参考和比较。最后，我们讨论了时空数据的分析和可视化的细微差别，这是超快脉冲表征的一个经常被低估和重要的部分。
2020-07-08 physics.optics
Synchronization of complex spatio-temporal dynamics with lasers
Université de Lorraine, CentraleSupélec（洛林大学、中央苏佩莱克）；Chaire Photonique（光子学教席）
本文利用广域垂直腔面发射激光的复杂动态，展示了实验室尺度上弱耦合振荡器的同步现象，并为基于混沌同步的多用户物理层安全通信提供了新方向。
2026-03-02 physics.optics
Measuring spatio-temporal couplings using modal spatio-spectral wavefront retrieval
时空耦合的知识，如脉冲前倾斜或曲率是重要的，以确定高功率激光的聚焦强度。诊断这些耦合的常用技术要么是定性的，要么需要数百次测量。在这里，我们提出了一个新的算法检索时空耦合，以及新颖的实验实现。我们的方法是基于Zernike-Taylor基的空间谱相位的表达，使我们能够直接量化常见的时空耦合系数。我们利用这种方法进行定量测量，使用一个简单的实验装置，由不同的带通滤波器在前面的Shack-Hartmann波前传感器。这种使用窄带滤波器（缩写为NPCON）的激光耦合的快速获取在现有设施中容易且便宜地实现。为此，我们提出了一个测量的时空耦合在ATLAS-3000拍瓦激光器使用我们的技术。
2023-03-02 physics.optics
On the validity of the paraxial approximation for electron acceleration with radially polarized laser beams
在激光驱动电子加速的研究中，通常采用傍轴波动光学的方法。利用Helmholtz方程的精确解及其傍轴对应方程，对高功率TM01电子束加速进行了数值模拟。对于束腰的大小，在该傍轴近似以前被认为是有效的，我们强调显着差异的角度发散和能量分布的电子束团所产生的精确和傍轴的解决方案。我们的结果表明，额外的照顾时，必须采取工作在傍轴近似的上下文中的电子加速径向偏振激光束。
2013-02-13 physics.optics
A cavity-stabilized laser with acceleration sensitivity below $10^{-12}$/g
我们表征腔稳定激光器的频率灵敏度的惯性力和温度波动，并执行实时前馈，以纠正这些噪声源。我们测量的灵敏度的腔体的线性加速度，旋转加速度和旋转速度通过旋转它的三个轴与加速度计和陀螺仪定位在腔体周围。腔的最差方向线性加速度灵敏度是在0-50 Hz上测量的$2(1) \times 10^{-11}$ /g，通过对所有上述惯性力的实时前馈校正，对于低频加速度，该灵敏度降低50倍至低于$10^{-12}$ /g。一个类似的想法是证明，其中激光器的频率漂移由于温度波动减少了70倍，通过实时前馈从位于腔真空室的外壁上的温度传感器。
2012-12-31 physics.optics
Field-test of a robust, portable, frequency-stable laser
我们在非实验室环境中操作频率稳定的激光器，其中测试平台是乘用车。我们测量激光器所经历的加速度，并对其进行主动校正，以实现系统加速度灵敏度$Δf / f$ = $11(2) \times 10^{-12}$ /g、$6(2) \times 10^{-12}$ /g和$4(1) \times 10^{-12}$ /g，用于1 Hz下三个正交方向上的加速度。加速度谱和激光器的性能进行了评估与车辆静止和移动。在发动机空转的静止车辆中的激光线宽为1.7（1）Hz。
2011-04-07 physics.optics
Dissipative spatiotemporal soliton in a driven waveguide laser
本文提出通过泵浦光空间整形在波导激光器中产生耗散时空孤子，并利用慢时间调制结合动态增益饱和实现宽参数范围稳定，且该方法可类比推广至弱耗散玻色-爱因斯坦凝聚体的稳定。
2024-08-12 nlin.PS physics.optics
Laser-induced spatiotemporal dynamics of magnetic films
我们提出了一个理论的相干磁化动力学引起的聚焦超快激光束在磁性薄膜，考虑到非热（逆法拉第效应）和热（加热）驱动。自旋波和声子之间的动态转换是由磁弹性耦合引起的，磁弹性耦合允许角动量的有效传播。磁弹性耦合的各向异性使得磁化传播的特征角度依赖性对于热致动和非热致动是显著不同的。
2015-11-05 cond-mat.mes-hall physics.optics
Single-shot complete spatiotemporal Strehl ratio metrology of ultrashort laser pulses -- theory
聚焦的超高强度飞秒激光现在通常用于带电粒子的相对论运动，峰值强度超过10^18W/cm ^2。这种高场实验对峰值强度的值非常敏感。因此，准确了解脉冲强度是正确解释实验数据的关键前提。能量、光谱和空间分布的精确测量已经很好地建立，峰值强度评估则仅需要确定时空Strehl比。在这里，我提出了一个新的方法的基础上一个简单的分析的非线性效应。它诊断所有的时间，空间和时空耦合失真。该方法甚至可以通过例如使用相对论表面谐波产生来在目标上实现。
2020-05-22 physics.ins-det physics.optics
Plasmonic Meta-Surface for Efficient Ultra-Short Pulse Laser-Driven Particle Acceleration
提出并分析了一种基于等离子体纳米天线的激光驱动粒子加速器。该概念利用纳米天线对电场的增强和定位来最大化加速度梯度并克服潜在的金属损失。该结构被优化用于使用在800 nm处工作的飞秒激光源加速相对论粒子，并且被示出为支持超短激光脉冲的带宽（高达16 fsec），同时提供可能达到11.6GV/m的高加速梯度。
2014-09-23 physics.acc-ph physics.optics
Multi-MeV electron acceleration by sub-terawatt laser pulses
我们证明了激光等离子体加速高电荷电子束的~10兆电子伏的规模，使用超短激光脉冲与小能量为10毫焦耳。这一结果是通过极密集和稀薄的氢气射流实现的。总电荷高达~0.5 nC的测量能量>1 MeV。加速与相对论自聚焦激光丝的存在相关，伴随着强烈的相干宽带闪光，与波破碎相关，其可以在亚飞秒带宽内辐射超过3%的激光能量，与半周期光发射一致。我们的研究结果使真正便携式应用的激光驱动的加速，如低剂量射线照相，超快探测的物质，和同位素生产。
2015-06-09 physics.acc-ph physics.optics
Laser wakefield acceleration with mid-IR laser pulses
本文报道了利用超短中红外激光脉冲（λ= 3.9 μm，100 fs，0.25 TW）驱动的激光等离子体尾场加速的初步结果，该脉冲能够使中等密度气体射流与近临界和超临界密度相互作用。当射流宽度超过相对论自聚焦的阈值尺度长度时，发生高达~12 MeV的相对论电子加速。我们提出了缩放趋势的加速束剖面，电荷和光谱，这是支持的粒子在细胞中的模拟和时间分辨图像的相互作用。对于类似的缩放条件，我们观察到加速电荷的显着增加相比，以前的实验与近红外（λ=800 nm）脉冲。
2018-01-17 physics.optics physics.plasm-ph
Temporally Resolved Intensity Contouring (TRIC) for characterization of the absolute spatio-temporal intensity distribution of a relativistic, femtosecond laser pulse
当今的高功率激光系统能够达到高达$10^{22}$ W/cm ^2的光子强度，在与材料相互作用时产生等离子体。高强度和超短脉冲宽度的激光使得直接观测等离子体动力学成为一项具有挑战性的任务。在激光-等离子体物理领域，特别是离子加速领域，光强的时空分布是最关键的问题之一。我们描述了一种新的方法的基础上的单次拍摄（即单激光脉冲）啁啾探测计划，采取九个连续帧的帧速率高达太赫兹。这种技术，我们称之为时间分辨强度轮廓（TRIC），使单次测量激光等离子体动力学。利用TRIC，我们演示了在亚皮秒分辨率下，在全脉冲能量下，高功率激光脉冲在焦平面上的完整时空强度分布的重建。
2018-09-16 physics.ins-det physics.optics physics.plasm-ph
Electron acceleration in vacuum by ultrashort and tightly focused radially polarized laser pulses
利用麦克斯韦方程组的精确封闭解，研究了径向偏振激光束在非傍轴超短脉冲场中驱动电子加速的问题。除了允许更高的能量增益之外，这种束可以产生同步的反向传播电子束。
2012-12-18 physics.acc-ph physics.optics
Orientation-Dependent Ion Acceleration from Laser-Irradiated Rectangular Nanorings
Department of Physics, Shaoxing University（绍兴大学物理系）
研究通过粒子-细胞模拟展示矩形纳米环靶材能显著增强能量吸收并提高激光加速离子的截止能量，其几何结构在最优取向下可实现强场约束，产生更高效的鞘层加速。
2026-03-21 physics.optics physics.plasm-ph
Electron acceleration driven by ultrashort and nonparaxial radially polarized laser pulses
利用麦克斯韦方程组的精确闭合解，研究了超短非傍轴径向偏振激光脉冲驱动下真空中电子的加速问题。我们表明，阈值功率以上，显着的加速发生大大降低，通过使用更紧密的重点。此外，由紧密聚焦的单周期激光脉冲加速的电子可以达到理论能量增益极限的80%左右，大约是以前报道的几个周期的傍轴脉冲的两倍。我们的研究结果表明，电子在真空中的直接加速是目前激光技术所能达到的。
2012-04-25 physics.acc-ph physics.optics
MeV electron acceleration at 1 kHz with <10mJ laser pulses
我们演示了激光驱动的电子加速到兆电子伏级的能量在1 kHz的重复率使用<10 mJ的脉冲聚焦在近临界密度的He和H2气体射流。利用氢气射流，在1.3mJ的激光脉冲能量下，在~ 10 fC聚束中观察到了~0.5MeV的电子加速。当脉冲能量增加到10 mJ时，我们在He和H_2气体射流中都测量到了能量大于1 MeV的~ 1 pC电荷聚束。
2016-10-05 physics.optics physics.plasm-ph
Direct laser acceleration of electrons in free-space
紧凑型激光驱动加速器是一种多功能和强大的工具，在科学，健康，安全和技术的各种目的的社会基础上具有不可替代的相关性，因为它们为传统射频加速器的最先进成就带来了巨大的实用性。目前基于激光的基准技术依赖于介质来辅助光-物质相互作用，这施加了材料限制或强烈的不均匀场。几个周期的超强径向偏振激光器的出现，实现了一个广泛研究的新型加速器，采用最简单的形式的激光加速，是独特的，不需要介质，实现强纵向能量转移直接从激光到粒子。在这里，我们提出了直接纵向激光加速的非相对论电子，经历高方向性的多GeV/m加速梯度的第一次观察。这一演示开辟了一个新的前沿直接激光驱动粒子加速能够创建良好的准直和相对论阿秒电子束和x射线脉冲。
2015-01-21 physics.acc-ph physics.optics
Laser Gate: Multi-MeV electron acceleration and zeptosecond e-bunching
具有大的场梯度的相对论强度的激光束（“激光门”）使得穿过光束的电子能够发生强的非弹性散射。该过程允许在波长空间内每次通过多MeV电子净加速。即使在低梯度激光场中的非弹性散射也可以诱导非常紧密的时间聚焦和电子聚束形成，直到量子，zepto-秒极限。
2009-04-07 physics.atom-ph physics.optics
Two-Color-Laser-Driven Direct Electron Acceleration in Infinite Vacuum
我们提出了一个直接的电子加速方案，使用双色脉冲径向偏振激光束。双色方案实现了超过90%的理论能量增益限制的电子加速，超过两倍的是什么是可能的一个相同的总能量和脉冲持续时间的单色脉冲束。该方案成功地利用古伊相移，只有当电子进入其有效的最后加速周期时，才能引起有利于加速的场干涉。讨论了优化条件和功率缩放特性。
2013-11-22 physics.acc-ph physics.optics
Direct High-Power Laser Acceleration of Ions for Medical Applications
理论研究表明，线性和径向偏振的多太瓦和拍瓦激光束，聚焦到亚波长腰部半径，可以直接加速质子和碳核，在微米尺寸的距离，强子癌症治疗所需的能量。由径向偏振激光加速的离子通常比由相同强度的线性偏振激光加速的离子具有更有利的能量扩展。
2008-04-23 physics.acc-ph physics.optics
Enhanced dynamic range spatio-spectral metrology of few-cycle laser pulses
Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics, National Institute for Physics and Nuclear Engineering Horia Hulubei（极端光基础设施-核物理部，霍里亚·胡卢贝伊国家物理与核工程研究所）；University of Bucharest（布加勒斯特大学）；National University of Science and Technology Politehnica of Bucharest（布加勒斯特理工大学）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；Lund University（隆德大学）
本文提出通过光谱滤波和拼接提升测量动态范围，以实现对短脉冲的精确重构，验证了该方法在INSIGHT、IMPALE和空间分辨傅里叶变换光谱仪中的有效性。
2026-03-29 physics.ins-det physics.optics
Proton Acceleration in Underdense Plasma by Ultraintense Laguerre-Gaussian Laser Pulse
采用三维粒子模拟方法研究了短脉冲强拉盖尔-高斯（LG）激光作用下低密度等离子体中见证质子的加速过程。在LG 10激光脉冲的驱动下，形成了一个轴上有电子柱的特殊气泡，在气泡中质子可以被横向聚焦场很好地限制，并被纵向尾流场加速。避免了在低密度等离子体中用高斯激光脉冲加速之前散射的风险，并且质子被稳定地加速到更高的能量。在模拟中，质子束在2.14 × 10 ~（22）W/cm ~ 2的LG ~（10）激光脉冲驱动下，在欠密氚等离子体中从1 GeV加速到7 GeV。
2014-07-24 physics.optics physics.plasm-ph
Theory of laser ion acceleration from a foil target of nanometers
提出了一种激光加速离子的理论，用以计算高反差强激光与纳米薄膜相互作用中离子的最大能量。在这种情况下，离子的能量可能与激光强度和随后的电子动力学直接相关。这导致一个简单的解析表达式的离子能量增益下的激光照射薄靶。值得注意的是，更高的能量薄的目标比厚的目标预测。理论是具体化的细节，最近的实验可能会找到自己的方式来比较这些结果。
2009-06-26 physics.optics physics.plasm-ph
Laser-based acceleration of non-relativistic electrons at a dielectric structure
报道了一个电介质激光加速熔融石英光栅附近非相对论电子的原理验证实验。光栅结构用于产生电磁表面波，该电磁表面波与28 keV电子同步行进并有效地向28 keV电子施加动量。我们观察到的最大加速度梯度为25 MeV/m。我们详细研究了参数依赖关系，并找到了很好的协议与数值模拟。随着紧凑和高效的光纤激光器技术的可用性，这些发现可能为全光学紧凑型粒子加速器铺平道路。这项工作也代表了反史密斯-珀塞尔效应在光学制度的演示。
2013-08-02 physics.acc-ph physics.optics
Influence of longitudinal chromatism on vacuum acceleration by intense radially polarized laser beams
我们报告与单粒子模拟的纵向色差，一种常见的时空耦合在超短激光脉冲，可以有一个显着的影响，通过高功率，紧聚焦径向偏振激光束的电子的纵向加速。这种效果可能是有利的，并且当与小的时间啁啾值组合时甚至更有利。然而，当纵向色差的幅度和符号不理想时，即使在非常小的幅度下，该效果也可以是高度破坏性的。这激发了驱动激光脉冲的表征和理解，并进一步研究类似的低阶时空耦合对这种加速的影响。
2019-06-17 physics.acc-ph physics.optics
Efficient acceleration of high-charge quasi-monoenergetic electron bunches in the blow-out regime using a few TW mid-infrared laser pulses
采用二维粒子模拟方法研究了中红外激光尾场加速中高电荷电子束团的有效产生。只有波长为1.5 μ m的2.5 TW（100 mJ，40 fs）MIR激光脉冲才能产生峰值能量为65 MeV的准单能电子（QME）聚束。模拟结果与实验结果进行了比较，实验表明，使用波长为0.8 μ m的8 TW激光脉冲，产生了40-60 MeV的QME聚束，电子数超过10^8。由1.5 μ m激光产生的QME聚束中的电子数是由0.8 μ m激光产生的电子数的10倍，相当于10^9。从激光能量到QEM束团能量的转换效率大于10%。TW级MIR激光脉冲的激光尾场加速为高效率地产生高电荷QME束团打开了大门。
2019-12-20 physics.optics physics.plasm-ph
Chirped standing wave acceleration of ions with intense lasers
我们提出了一种新的机制，离子加速的基础上引导运动的电子从薄靶。电子的运动被锁定到由啁啾激光脉冲从目标后面的反射镜反射形成的驻波的移动节点。这提供了电荷分离的稳定纵向场，从而引起层的残余离子的啁啾驻波加速（CSWA）。我们证明，无论是分析和数值，准单能离子束的顺序为100兆电子伏的能量是可行的，为现实的脉冲能量为10 J。此外，更高的激光强度和层密度的标度律，表明稳定的GeV级的能量增益的密集的离子束，即将成为可用的激光强度。
2016-08-31 physics.optics physics.plasm-ph
Laser acceleration of ion beams
我们考虑带电粒子加速的方法，通过高强度激光。作为一个应用，我们讨论了激光助推器提供的重离子束，例如由杜布纳nuclotron。简单的估计表明，交叉激光束的级联将是必要的，以提供额外的加速金离子的数量级的GeV/核子。
2007-02-01 nucl-th physics.acc-ph physics.optics
Strongly-Mismatched Regime of Nonlinear Laser-Plasma Acceleration: Optimization of Laser to Energetic Particle Efficiency
为优化激光到粒子的能量效率，建立了一个自导引非线性激光-等离子体加速的强失配区模型，并将其应用于最近提出的激光正电子加速器。与匹配条件相比，强失配是由于入射激光光斑的尺寸远大于等离子体泡中激光有质动力和电子-离子电荷分离力平衡所需的尺寸。这有利于优化大的自注入电子电荷和超低的横向发射度。突出的签名的失配制度，强烈的光冲击激发和气泡伸长，验证使用多维粒子在细胞模拟。因此，这项工作揭示了一个普遍的制度，已被许多激光等离子体加速实验所青睐，并开辟了一个新的途径，为广泛的未来应用。
2018-12-16 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Microwave Power Spectra of Stimulated Phonon Emission and Spatio-Temporal Structures in an Optical-Wavelengths Acoustic Laser (Paramagnetic Phaser)
本文用量子声学方法对固体非平衡介质中的自组织运动问题进行了实验研究。在基于红宝石晶体的光波长声激光器（顺磁移相器）中，获得了微波功率谱的广义庞加莱截面。在相位器弛豫共振区域之外的周期性泵浦调制条件下，观察到MPS的相当大的变窄及其类自波超低速运动。本文的部分实验结果发表在：《固态通信》，第90卷，第8期，第501页（1994）。实验数据的解释见arXiv：1101.0482v1 ; arXiv：cond-mat/0410460 v1; arXiv：cond-mat/0303188 v1。
2012-01-03 cond-mat.other nlin.AO physics.optics
Cascaded acceleration of proton beams in ultrashort laser-irradiated microtubes
提出了一种利用超短激光辐照微管的级联离子加速方案。当强激光脉冲将微管中的电子吹走时，在微管中沿轴向和径向都形成了强的电荷分离电场。通过控制激光脉冲与沿微管轴向注入的预加速质子束之间的时间延迟，我们证明了在激光辐照的微管中，瞬时轴向电场可以进一步加速质子束。此外，注入质子束的准直性可以通过向内的径向电场来增强。数值模拟表明，这种级联离子加速方案即使在非相对论激光强度下也能有效地工作，并且可以应用于能量范围为1 ~ 100 MeV的注入质子束。因此，它特别适合于级联加速质子到更高的能量。
2017-10-07 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
