尾流结构

近日，韩国基础科学研究所的Taegyu Pak等人观察到高功率太赫兹辐射从被100太瓦级激光脉冲照射的气体喷射器中发射出来，用于电子的激光视场加速。在氮气靶上，小于10太赫兹时产生了超过4毫焦耳的能量，激光到太赫兹的转换效率约为0.15%。这种强大的太赫兹辐射被认为是由等离子体电子产生的，这些电子在激光脉冲时间尺度上加速。该模型通过粒子在细胞中的模拟和分析计算进行研究，以更好地理解激光尾流场加速中高能太赫兹辐射的产生机制。太赫兹（THz）是位于电磁波谱的微波和红外区域之间的一个频段，这个频段下传统技术在产生和检测辐射方面效率低下，人们正在通过开发新的太赫兹源和检测器来弥补这一缺口。基于激光的太赫兹源由于能够产生相干的、单周期到多周期的、宽带（或窄带）辐射而备受关注。这种源也可以提供与驱动激光的自然同步，允许超快时间分辨光谱和成像。最近，高功率飞秒激光器被用来产生强大的太赫兹辐射，以及探索新的太赫兹驱动的现象，如分子排列，谐波生成和分子加速等。在许多基于激光的源中，基于激光等离子体的源很适合于高功率太赫兹的产生。等离子体已经被电离，因此可以维持高电磁场，当高功率激光脉冲被聚焦到一个小的体积中用于产生能量可存储的太赫兹时，几乎不需要材料损坏。从激光产生的气体和固体密度等离子体中产生的相干太赫兹已经被广泛地研究。在气体中，单色或双色激光产生的等离子体可以通过超快的激光驱动电流产生相干的宽带太赫兹辐射。在双色激光混合中，通过使用中红外激光驱动器，激光到太赫兹的转换效率提高到百分比水平。最近，从一个被高能量皮秒激光脉冲照射的金属箔中观察到了几十毫焦耳的太赫兹能量。然而，与气体靶材不同，高密度的靶材往往会带来靶材碎片和靶材重装的问题，这使得它们不利于用于连续或高重复率的操作。激光尾流场加速器（LWFA）是一种基于气态等离子体的紧凑型电子加速器方案，可以产生宽带电磁辐射。在激光尾流场加速器中产生的相对论性电子束，当它通过相干过渡辐射离开等离子体-真空边界时，可以发射出太赫兹辐射。当电子束的长度与发射的太赫兹辐射的波长可比拟或小于辐射波长时，就会出现这种情况，且单个电子产生的太赫兹场在辐射方向相干叠加。在实验中，用10 TW级激光器从激光尾流场加速器中观察到小于100纳焦的太赫兹能量，太赫兹辐射的波形被单次测量，也被利用来诊断电子束本身。然而到目前为止，激光尾流场加速器输出的太赫兹能量尚未超过微焦水平，人们也没有研究过太赫兹能量的扩展。韩国基础科学研究所的Taegyu Pak等人通过使用相对论激光科学中心（CoReLS）的150太瓦激光器，在激光尾流场加速器中明显增强了太赫兹的产生，达到了多毫焦耳水平。研究人员测试了激光尾流场加速器和各种目标条件下太赫兹的生成，并同时表征了两种光束，以便更好地了解激光尾流场加速器中太赫兹产生的起源。实验结果表明，多兆焦耳的太赫兹生成并不完全由相干跃迁辐射模型解释。研究人员研究了太赫兹产生的另一种可能机制，即由激光推动力和等离子体加速的等离子体电子的相干辐射。实验装置示意图如图1所示，激光脉冲电离气体射流并通过激光尾流场加速器加速等离子体电子，同时产生太赫兹辐射。在电子束通过带有偶极磁铁的电子光谱仪后，测量电子能谱。从等离子体发出的太赫兹辐射被准直，传送到真空室外，然后重新聚集到热释电检测器上进行检测。图1 激光驱动的电子加速和太赫兹生成示意图发出的太赫兹辐射通过其光谱、能量和偏振进行了表征，得到的太赫兹光谱在图2（a）中以散射形式显示，水平误差条代表滤波器传输带的光谱宽度，红线表示放置在光束路径上所有过滤器的整体传输曲线。其偏振通过一个带有热释电探测器的线栅偏振器来表征，收集35个热释电信号并取其平均值，结果显示在图2（b）中。测量的偏振分布是各向同性的，与电子的径向加速所预期的偏振相一致，沿垂直偏振方向有一些明显的增强。图2 太赫兹辐射的光谱和偏振表征

日前记者从中国科学技术大学获悉，该校地球和空间科学学院教授薛向辉团队在相干测风激光雷达系统研制方面取得重大突破，首次实现空间分辨率3米、时间分辨率0.1秒的风场探测。据悉，这是迄今为止有报道的全球最高精度的风场连续探测。相关成果发表在国际知名光学期刊《光学快报》。测风激光雷达的封装样机 课题组供图 米级-亚秒级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义，但高时空分辨的连续风场观测对激光雷达仍是一个挑战。比如，为获取3米和0.1秒时空分辨率的风场观测结果，需要将现有激光雷达信号检测灵敏度提高2个数量级以上。 为了实现“看的远、看的细，测的快、测的准”的高时空分辨测风激光雷达，团队通过在激光光源、光学收发系统、高速数据采集电路和数据处理算法上对激光雷达进行全面优化，并在时频分析、脉冲编码基础上提出一种新的反演算法，大大提高了风场反演精度和稳健性，最终实现了一套全国产化的“产品级”测试样机。图1 3米距离分辨率相干测风雷达实验装置：(a)实验装置实物；(b)白天观测；(c)夜间观测；(d)光学系统及电路控制示意图；(e)连续5分钟观测的阵风结构图（时间分辨率为1秒）。图2 高铁尾流风场结构观测及模拟结果：(a)雷达观测的0.1秒分辨率尾流中风场结构图；(b)基于CCM+模拟的300km/h运行列车的尾流风场结构。 据介绍，雷达样机工作波长为1550.1纳米，具有人眼安全、设备轻便（整装设备40公斤）、工作稳定、环境适应性强等特点。通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5米每秒。 为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，团队在安徽省宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350公里每小时的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中类似于冯卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。 审稿人认为，“观测结果是引人注目和印象深刻的”、“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”。

记者获悉，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授薛向辉团队在相干测风激光雷达系统研制方面首次实现空间分辨率3米、时间分辨率0.1秒的风场探测。据了解，米级-亚秒级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义，但高时空分辨的连续风场观测对激光雷达仍是一个挑战。据介绍，薛向辉团队雷达样机工作波长为1550.1纳米，通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5米每秒。为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，薛向辉团队在安徽省宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350公里每小时的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中类似于冯卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。相关成果发表于国际光学期刊《光学快报》。审稿人认为，“观测结果是引人注目和印象深刻的”“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”。中科大地球和空间科学学院博士研究生梁晨为该论文第一作者，王冲副研究员和薛向辉教授为论文共同通讯作者。