基于频率可变法拉第旋转的磁化等离子体旋光器：实现相对论中红外脉冲偏振调控的新途径

《Light-Science & Applications》：Magnetized plasma rotator for relativistic mid-infrared pulses via frequency-variable Faraday rotation

为解决高功率激光偏振调控受限于晶体损伤阈值的问题，研究人员开展了磁化等离子体旋光器的研究。通过驱动纵向磁化欠稠密等离子体产生非线性等离子体尾波，利用光子减速与相对论法拉第旋转的耦合效应（FVFR），成功生成了强度≥1016W·cm-2、光谱范围5-25μm的偏振可调相对论中红外脉冲。该方案首次实现了相对论中红外脉冲的偏振精确操控，为强场物理、阿秒科学等领域提供了新工具，推动了相对论等离子体磁光学的发展。

　　

在光学系统中，基于法拉第效应的光学旋光器广泛应用于光学隔离和环形器等器件。然而，晶体材料本身的热效应和损伤阈值限制，使得这类旋光器难以实现小型化集成化，更无法应用于高功率激光系统。等离子体作为一种无损伤阈值的新型介质，为高功率激光的传输和调制提供了理想平台。特别是磁化等离子体能够产生显著的法拉第旋转效应，为激光偏振调控开辟了新途径。

近年来，等离子体中近红外波段高功率激光的偏振快速调制与操控取得了显著进展，但这些方法主要工作在非相对论区域，且缺乏非线性光学效应。当激光强度进入相对论区域（I(λ₀/μm)²≥ 1.37×10¹⁸W·cm^-2），等离子体中由强激光引起的非线性光学效应变得显著，使得高功率激光的偏振操控面临巨大挑战。非线性等离子体尾波中发生的激光自相位调制、自陡峭和相对论自聚焦等效应，显著改变了驱动激光的演化特性，导致光子减速/加速和非对称脉冲压缩等新现象。特别是在负折射率梯度区域，激光光子通过光子减速机制频率下移至中红外波段。

李东奥、张国波等研究人员在《Light: Science & Applications》上发表的论文提出了一种新颖的紧凑型等离子体旋光器，基于磁化等离子体中法拉第效应、相对论效应和光子减速的相互作用，即频率可变法拉第旋转（FVFR）。该旋光器通过数十太瓦级别的相对论线偏振激光驱动纵向磁化欠稠密等离子体实现，由引导区、转换区和输出区三个模块组成。引导区对应密度上升斜坡，能够引导驱动激光传播同时抑制边界电子注入；转换区对应密度平台区，是磁化等离子体旋光器的核心组件，驱动激光在此分裂为左旋和右旋圆偏振子脉冲；输出区对应密度下降斜坡，高效将中红外脉冲输出等离子体同时保持其光束质量。

关键技术方法包括：通过三维粒子模拟（Particle-in-Cell, PIC）验证物理方案，利用准静态近似（Quasi-Static Approximation, QSA）理论模型分析电子动力学，采用斯托克斯参数（Stokes parameters）量化偏振状态，结合非线性等离子体尾波（Nonlinear Plasma Wake, NPW）实现光子减速和频率下转换。

概念和物理方案

研究人员建立了理论模型来探索磁化等离子体中法拉第效应、相对论效应和光子减速之间的相互作用。在纵向恒定磁场B = σB₀x作用下，左旋和右旋圆偏振子脉冲的折射率和相速度存在差异。法拉第旋转角ΔΨ与激光波数k、相互作用长度s以及左旋和右旋子脉冲的相速度差Δ_p相关。在相对论区域，法拉第旋转角不仅与波长平方成正比，还受到电子洛伦兹因子γ的显著影响。通过光子减速机制，激光频率从近红外下移至中红外甚至远红外波段，瞬时激光波长λ的变化与折射率梯度?η/?ξ密切相关。

三维PIC模拟结果

模拟结果显示，在B=1000 T的极端条件下，能够产生峰值电场E_MIR≈ 6.1×10¹¹V·m^-1、中心波长6.7μm、光谱宽度5-25μm的相对论中红外脉冲。空间平均偏振度P_s可达0.94，表现出优异的圆偏振特性。不同磁场强度下，中红外脉冲的偏振状态呈现明显的非互易行为：当B>0时，中红外脉冲呈现左旋圆偏振状态，偏振面向+45°方向旋转；当B<0时，则呈现右旋圆偏振状态，偏振面向-45°方向旋转。

物理过程演化分析

在引导区（x=400μm），驱动激光已经开始出现E_z分量，表明相对论法拉第旋转效应开始作用。在转换区，通过光子减速有效生成长波长中红外脉冲，由于群速度色散效应，中红外脉冲相对于驱动激光向后滑移进入等离子体空泡。在输出区，中红外脉冲在保持光束质量的同时离开等离子体。整个过程中，等离子体空泡的约束作用确保了中红外脉冲的光斑尺寸与空泡直径匹配。

光束质量特性

生成的中红外脉冲具有46.3 fs的半高全宽持续时间，20.8μm的光斑尺寸，能量转换效率达1.8%。输出脉冲的发散角约为6.4°，表现出良好的光束质量。折射率差异导致左旋和右旋子脉冲产生不同的相速度和群速度，较慢的左旋圆偏振子脉冲向后滑移进入折射率梯度较小的区域，成为左旋圆偏振中红外脉冲的主要来源。

偏振状态调控

通过改变外部磁场强度，可以实现对中红外脉冲偏振状态的精确调控。无外部磁场时，中红外脉冲保持线偏振状态（Q=1，U≈0，V≈0）。随着磁场增强，中红外脉冲逐渐变为椭圆偏振，如在B=500 T时，Q≈-0.60，U≈0.31，V≈-0.74。在B=1000 T的极端条件下，可以获得左旋圆偏振中红外脉冲（V≈-0.96）。磁场方向反转时，则可产生右旋圆偏振中红外脉冲。

鲁棒性讨论

研究还考察了磁化等离子体旋光器对等离子体参数和激光强度的鲁棒性。结果表明，在不同电子密度n₀、转换区长度L_c、输出区长度L_o和初始激光强度a_L条件下，斯托克斯参数V始终接近-1，E_z/E_y大于0.84（除a_L=5时E_z/E_y=1.4外），表明左旋圆偏振中红外脉冲的稳定生成。提高等离子体密度可以增强中红外脉冲的场强E_MIR、延长中心波长、提高能量转换效率并增加脉冲持续时间，这是因为更大的n₀提供更小的折射率梯度，加速频率下移。延长转换区长度L_c可以改善场强E_MIR、持续时间和能量转换效率，因为更长的L_c使更多光子转换为中红外脉冲。增加初始激光强度会使中红外脉冲的中心波长变长，场强E_MIR、能量转换效率和脉冲持续时间先增加后饱和。

研究结论与意义

该研究首次提出了基于频率可变法拉第旋转的紧凑型磁化等离子体旋光器，通过磁化非线性等离子体尾波中法拉第效应、相对论效应和光子减速的相互作用，实现了相对论中红外脉冲的生成和偏振精确调控。理论模型与三维PIC模拟结果高度吻合，为实验中的旋光器设计提供了依据。该方案适用于从中红外到远红外甚至太赫兹波段，为强场物理、阿秒科学和实验室天体物理等领域提供了新机遇。特别是在PW级激光装置上产生数十太瓦偏振可调的中红外脉冲方面开辟了新途径，推动了相对论等离子体磁光学的发展，为未来等离子体光学器件的发展迈出了重要一步。同时，观察到的频率可变法拉第旋转现象可能与宇宙中的中红外波频率相关偏振演化和快速射电暴等天体物理现象高度相关。