圆偏振涡旋激光脉冲驱动等离子体产生飞秒磁脉冲的研究

温寒，徐鹏，皮良文，付玉喜

（1 中国科学院西安光学精密机械研究所 阿秒科学与技术研究中心，西安 710119）

（2 中国科学院大学 光电学院，北京 101408）

0 引言

脉冲磁场的研究最早可以追溯至20 世纪初，传统的方案是使用脉冲电源提供瞬时电流进而产生脉冲磁场，通过优化磁体结构以及磁体与电源的配置，可以实现高达100 T 的磁场强度［1］。但是产生强脉冲磁场的传统方法对脉冲电源的性能和磁体的机械强度要求高，相应的实验设施尺寸大、造价高，并且产生的磁场脉冲宽度最短只能达到5 ms 左右，很难产生更短的磁场脉冲。随着激光技术的发展，利用激光和等离子体相互作用为产生强磁场提供了新的方案，通过使用具有轨道角动量的强激光束与等离子体相互作用，可以将轨道角动量从激光转移到电子上形成螺线电流，进而产生超强的轴向磁场［2］。例如，时银从理论上研究了利用不同频率和轨道角动量的涡旋光来驱动电子产生螺线电流，从而可以产生40 T 的磁场［3］。NUTER R 等使用2×1018W/cm2相对论强度的涡旋光与等离子体作用，通过理论计算预测可以产生100 T 的脉冲磁场［4］。上述研究中传统方案产生的强磁场脉冲的脉冲宽度为毫秒量级，具有轨道角动量的强激光和等离子体相互作用产生的强磁场为准静态磁场，两种方案都无法研究超快磁动力学过程［5］。

为了获得更短的强磁场脉冲，FREEMAN M R 等使用飞秒激光触发光导奥斯顿开关的方案，在共面波导中产生了瞬态电流，进而获得了皮秒时间尺度的磁场脉冲［6］。然而，由于脉冲的衰减时间由材料的载流子寿命决定，未掺杂GaAs 的典型寿命为100 到500 ps，而低温生长的GaAs 的寿命可能只有几皮秒［7］，因此采用上述方法最多只能产生皮秒量级的磁场脉冲。HILLEBRANDS B 等将皮秒磁场脉冲作用于共线铁磁样品中，通过Dzyaloshinskii-Moriya 作用来产生单个斯格明子，同时，该工作还利用皮秒磁场脉冲实现了相反极性斯格明子的受控切换［8-9］。近年来，在铁磁薄膜的有关的实验中观察到章动运动。进动运动下，铁磁材料的磁化开关时间大约为20 ps，由于章动频率远高于进动频率，因此章动运动有利于更快的磁化开关，大约为亚皮秒量级［10］。

飞秒磁脉冲可以研究更快的自旋动力学过程，例如铁磁材料Co 的瞬态磁化过程受自旋输运效应的控制，自旋极化的激发电子的寿命为飞秒量级，激发电子在外场中自旋进动也处在飞秒时间尺度［11-12］。利用光学二次谐波探测到Au 表面激发的载流子自旋极化过程是百飞秒量级，而且发现Fe 表面激发的载流子寿命也为百飞秒量级［13］。NiO 和Ru 的退磁时间和电子-声子弛豫时间在百飞秒量级［14-16］。目前实验上还无法产生飞秒磁脉冲，极大限制了超快磁动力学和自旋动力学的深入研究。

本文利用质点网格法（Particle-In-Cell， PIC）和Smilei 程序模拟了真空环境下圆偏振拉盖尔高斯（Laguerre-Gaussian，LG）光束与均匀分布的等离子体靶相互作用的过程［17-18］。电流密度分布表明，粒子在激光场中的径向运动中获得角动量，可以产生0.5 至50 T 峰值强度，脉冲宽度为10 fs 左右的磁场。PIC 模拟结果表明，可以通过控制激光束强度和等离子体密度来增加脉冲磁场强度。

1 激光与等离子体靶相互作用模型

利用Smilei 程序进行三维PIC 模拟，模拟环境为真空环境，模拟窗口x×y×z为160λ0×40λ0×40λ0，模拟网格dx、dy、dz为0.1λ0，其中λ0为激光波长，每个网格内有4 个宏粒子。每个宏粒子可以看成多个等离子体粒子的集合体，宏粒子密度的物理意义是单位网格体积内一个宏粒子所代表的粒子密度。等离子体密度单位为，其中ε0为介电常数，ω0为激光角频率，me为电子质量，e为电子电荷量。电流密度是由宏粒子数密度、电荷数和电子速度相乘而得到，其单位为Jr≡ceNr，其中c为电磁波在真空中的传播速度。

在模拟过程中，边长为30λ0的正方体等离子体靶位于模拟窗口内部左侧，圆偏振LG 光的焦平面与模拟窗口左端平齐。一般情况下，激光从无穷远处传来，然后进入模拟窗口。但在模拟过程中，为了节省计算时间，同时为保证初始时刻的激光脉冲不会进入模拟窗口而对等离子体靶产生扰动，将圆偏振LG 光的脉冲中心设置于模拟窗口左侧18λ0处。激光入射等离子体靶的方式为垂直入射，激光沿着x方向传播，传播轴在yz平面的位置是y=20λ0，z=20λ0，采用的激光光束为圆偏振LG 光束［19-22］，激光方程为

BAUMANN C 研究了不同拓扑数组合的激光对驱动产生的电子束的影响［19］。模拟结果显示，当激光模式参数［l，m，s］组合设置为［0，-2，-1］时，可获得理想螺旋电子束。因此，本文也将激光拓扑数［l，m，s］组合设置为［0，-2，-1］。式（1）中表示无量纲电场强度，其中E0为激光所对应的电场强度表示拉盖尔多项式，s表示激光的偏振度（s=-1 表示右旋圆偏光），束腰W0为10λ0，k为激光的波数，激光波长λ0为800 nm。高斯时间包络函数为，其中激光脉冲电场的半高全宽τ为3 倍的激光周期t0［23］。

2 仿真模拟结果与分析

2.1 激光脉冲与等离子体相互作用产生磁脉冲

等离子体密度n0设置为1.74×1018cm-3，光强I0设置为1.93×1021W/cm2时，脉冲宽度τ为3 倍的激光周期t0。图1（a）～（d）是当t分别处于不同时刻，模拟窗口内宏粒子的密度分布图。对比发现，激光与等离子体相互作用后，粒子束呈螺旋状分布并沿x轴运动。从图中可以看出，电子运动过程中，极少数电子运动至模拟窗口边界外，但大量的电子分布在长时间的作用下是稳定的，因此可以忽略模拟窗口外的电子运动。对于模拟窗口内的电子分布，可以用有质动力模型来描述这种径向约束［24-25］。LG 光束与经典的高斯光束不同，LG 光束的中心处光强最低，因此存在一个势阱。有质动力势与光场强度梯度成正比，有质动力势阻止位于势阱中的电子径向逃逸，从而可以产生具有飞秒持续时间的结构电子束。激光脉冲进入模拟窗口430 fs（t=160t0）后，电流密度的PIC 模拟结果如图1（e）所示，电流密度Jθ分布呈环形，说明在激光-等离子体相互作用过程中，电子的角向运动产生环形电流。

图1 宏粒子的密度分布与电流密度分布Fig.1 Density distribution of macro-particles and current density distribution

根据电流的磁效应，环形电流可以产生磁场。激光脉冲进入模拟窗口430 fs 后，图2 为感生磁场Bx的PIC 模拟结果。由图2 可知，利用超短脉冲激光产生了6 T 的轴向磁脉冲，且Bx的脉冲宽度约为10 fs，与激光脉冲的脉冲宽度保持一致。

图2 在x=145 λ0，y=25 λ0时，感生磁场Bx随时间t 的变化Fig.2 x=145 λ0，y=25 λ0， diagram of induced magnetic field Bx as a function of t

2.2 激光强度和等离子体密度对磁脉冲强度的影响

产生磁脉冲的过程主要是由于激光-等离子体相互作用引起的，超短脉冲激光与等离子体相互作用能够激发等离子体中电子的集体运动，从而使等离子体中的带电粒子获得能量。激光强度与等离子体密度是激光与物质相互作用中的两个重要参数，我们分别选择不同的激光强度和等离子体密度，研究两个参数对感生磁脉冲强度的影响。

2.2.1 激光强度对磁脉冲强度的影响

等离子体密度n0设置为1.74×1018cm-3，在不改变激光其他参数的情况下，改变光强I0从8.57×1016增加至1.93×1021W/cm2时，研究磁场Bx随着输入光强I0和输入磁场强度B0变化。由图3（a）可知，Bx正比于B0，通过，可知B0正比于，得出Bx正比于的结论，与图图3（b）相符。感生磁场强度Bx正比于电流密度分布Jθ。再由电流密度定义可知，电流密度正比于电子运动速度。同时，洛伦兹力驱使电子运动，电子运动的速度正比于洛伦兹力，而洛伦兹力正比于输入磁场强度B0，因此Bx正比于B0。

图3 感生磁场Bx随输入磁场强度B0和输入光强I0变化Fig.3 The curves of the induced magnetic field Bx changing with the input magnetic field strength B0 and input laser intensity I0

2.2.2 等离子体密度对磁脉冲强度的影响

将光场强度设置为1.93×1021W/cm2，在不改变激光参数的情况下，改变等离子体密度，将n0从1.74×1018增加至8.7×1020cm-3。如图4 所示，Bx随n0的增加而增加。这是由于随着等离子体靶密度的增加，电流密度随之增加，因此产生的磁脉冲强度也增加。从图4 中可以看出，可以产生0.5 至50 T 峰值强度的轴向磁脉冲，并且发现当等离子体密度小于1020cm-3时，Bx的强度变化不大，但随着等离子体密度大于1020cm-3时，Bx增幅较大。由于电流密度与等离子体密度也成正比，因此磁场Bx随等离子体密度增加而增加。

图4 感生磁场Bx随着等离子体密度n0变化曲线和线性拟合Fig.4 The induced magnetic field Bx changes with the plasma density n0， and the curve is fitted linearly

3 结论

本文利用PIC 模拟方法和Smilei 程序对相对论光强的超短脉冲激光与等离子体相互作用产生涡旋电子束进而产生脉冲磁场这一物理过程进行了系统的模拟，并产生了0.5 至50 T 峰值强度和10 fs 左右的超短磁脉冲。通过等离子体宏粒子数密度分布、电流密度分布以及磁场强度分布探究了磁脉冲的产生过程。模拟结果表明，脉冲磁场强度与激光强度的平方根和等离子体密度成正比，通过增加电子密度和激光光强获得超短强磁场，为实验产生飞秒磁脉冲提供数值参考。以上的模拟结果有望推进超强超短磁脉冲进入飞秒超快时间尺度，为超快磁动力学和超快自旋动力学研究中控制磁性材料中电子运动、自旋等微观过程、超快自旋电子磁存储应用和磁化开关发展方面提供支撑。