• 作者简介

第一作者

姓名：孙伟

机构：中国原子能科学研究院

研究方向：中国原子能科学研究院副研究员，硕士生导师，主要研究方向为实验室天体物理，依托强激光装置在实验室中创造和天体环境类似的极端环境开展湍流磁场放大效应、磁重联等研究。研究成果发表在New J. Phys., Plasma Sources SCI T., Phys. Plasmas 等期刊30余篇，主持国家自然科学基金青年基金、中国原子能科学研究院创新基金、院长基金等6项。

第一通讯作者

姓名：袁大伟

机构：中国科学院国家天文台

研究方向：中国科学院国家天文台项目研究员，硕士生导师，主要研究方向为实验室天体物理。通过在实验室创造和天体环境类似的极端物理条件对天体中的剧烈释能现象进行研究，如超新星遗迹中的冲击波形成和粒子加速，天体喷流的产生和准直传输等。研究成果发表在Nat. Commun., Phy. Rev. Lett., ApJ  等期刊80余篇，主持国家自然科学基金面上项目和青年基金，中国科学院青年交叉团队，先导A课题等项目10余项。

• 文章导读

大型激光装置 (如我国"神光-II") 的发展，使在实验室可控地复现天体尺度的高温、高压、强辐射与强磁场环境成为现实，为探索天体物理问题开辟了全新研究范式——实验室天体物理。与传统的被动天文观测和理论模拟相比，实验室天体物理提供了一种主动、可控且可重复的研究路径。精密物理诊断技术在这一领域中发挥着关键作用。来自中国科学院国家天文台、中国原子能科学研究院、中国科学院物理研究所和北京师范大学的联合研究团队在Lights 期刊发表的最新文章，系统介绍了一种兼具高时空分辨能力与多物理参量同步测量能力的光学诊断技术，实现了密度、温度、流速与磁场的高时空分辨、多参量同步测量。该技术已成为研究极端等离子体物理过程的核心工具。

光学诊断示意图

• 诊断原理

本文介绍的光学诊断系统集成了Nomarski干涉、阴影成像和法拉第旋光，可同时对等离子体的密度、温度、速度和磁场等关键物理信息进行在线实时测量。该诊断系统依托上海"神光-II"装置，通过精确调控探针激光与主驱动激光的延时，捕捉等离子体的瞬态演化。

Nomarski干涉基于探针光通过等离子体后的相位变化重建电子密度分布。携带密度信息的探针光经Wollaston棱镜分成正交偏振分量 (O光和E光)，二者经过检偏器后最终形成干涉条纹。电子密度沿光程的积分与条纹位移满足∫𝑛_𝑒𝑑𝑙=2𝐷𝑛_𝑐𝜆，通过Abel反演重构轴对称假设下的二维密度分布，空间分辨率可达微米量级。阴影成像对电子密度的二阶空间导数敏感，探针光在密度梯度场中发生折射偏转，导致成像面光强调制，能直观显示等离子体密度梯度与空间结构。法拉第旋转利用线偏振光穿越磁化等离子体时，偏振面因磁致旋光效应发生旋转，旋转角与磁场沿视线方向的分量，通过分离正交偏振分量，可反演磁场强度与拓扑结构，为磁重联、激波等过程的机理解析提供关键物理信息。

光学诊断在不同天体物理实验研究中的应用

• 典型应用

联合团队依托上述诊断体系，在五个关键天体物理场景中取得了重要进展：

(I) 天体喷流准直机制—对比金 (Au) 与塑料 (CH) 靶产生的等离子体喷流发现，强辐射冷却效应使Au喷流保持高度准直 (半径约83 μm，纵横比约22)，而CH喷流因冷却效率较低，呈现显著径向扩散 (半径约374 μm)。该实验定量验证了辐射冷却是维持天体喷流准直性的核心机制。

(II) 湍流磁重联—四路激光驱动双平行铝箔靶，产生反向平行磁场并诱导湍流重联电流片。阴影成像结合傅里叶功率谱分析揭示：强驱动条件下能谱呈现双幂律分布，分别对应宏观流体尺度与离子惯性尺度，证实了湍流级联过程对驱动强度的非线性依赖。

(III) 无碰撞激波的形成—八路激光驱动对称双平面靶，模拟超新星遗迹 (SNR)爆发初期的对流不稳定性。诊断系统首次实验观测到相向传播的双静电激波，激波前沿宽度远小于离子平均自由程 (无碰撞特征)，密度跃变比达2.6，马赫数M~3-5，与动理学理论模型高度吻合。

(IV) 动理学湍流等离子体—法拉第旋转与阴影成像同步追踪Weibel不稳定性驱动的湍流磁场：非线性阶段通过合并形成磁岛。功率谱演化与动理学湍流预言一致，揭示了无碰撞等离子体中磁场自组织的基本规律。

(V) 磁化开尔文-亥姆霍兹 (KH) 不稳定性—在剪切层施加4000 G外部纵向磁场，阴影成像与干涉测量显示KH涡旋的生长被显著抑制。洛伦兹力压缩剪切层并产生约150 μm的位移，有效削弱了速度剪切，抑制了不稳定性发展。

• 总结及展望

本文系统展示了精密光学诊断技术在实验室天体物理中的协同应用能力，上述研究展示了光学诊断在极端等离子体物理中的不可替代性。展望未来，随着先进反演算法、磁拓扑层析成像及多维度同步测量技术的发展，光学诊断有望从现象模拟平台升级为微观机制系统分析的核心工具，为理解更多天体物理过程提供实验支撑。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3042-7886/1/1/3

• Lights 期刊介绍

主编：Roberto Morandotti, Institut National de la Recherche Scientifique—Énergie, Canada

Lights 期刊 (ISSN 3042-7886) 致力于增进我们对光学的理解和应用，特别是与利用光及其相关技术有关的领域。期刊目标是为研究人员提供一个全面的平台，以交流思想、分享发现，并在这些令人兴奋的研究领域中取得进展。

Time to First Decision: 19 Days

Acceptance to Publication: 8 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/lights