2003年毕业于南开大学物理学院、数学学院，获双理学学士学位；2004-2005年微软亚洲研究院访问学生；2009年获中科院物理研究所光学博士学位；2009-2011年获德国洪堡基金会支持在达姆斯塔特工业大学从事博士后研究工作，2011-2014年获日本JSPS基金会支持在大阪大学从事博士后研究工作，2014年获国家海外高层次青年人才项目支持回国工作，现为上海交通大学物理与天文学院教授、博士生导师。

首次发现激光脉冲在磁化等离子体中传播时的极端法拉第效应，基于此提出等离子体光学的概念用于高功率激光科学、激光聚变、等离子体天体物理等领域；发现等离子体在强电场中的普适欧姆定律，用于描述极端场强中的输运问题；自主开发Fokker-Planck、Particle-Mesh等数值程序用于模拟激光聚变中的关键物理过程；近五年在Optica，Light和PRL等著名期刊发表论文约50篇。

研究方向简介：

一、等离子体光学

Gérard Mourou和Donna Strickland发明的啁啾脉冲放大(CPA)技术在二十年左右的时间里已将激光脉冲的峰值功率和极限强度提高了7-8个数量级，他们也因此荣获2018年的诺贝尔物理奖。高功率激光开拓了诸多研究领域，包括新型激光聚变方案、新型粒子加速器、高能量密度物理、实验室天体物理等。然而随着激光峰值功率的不断增加，传统的固态光学元件必须同步扩大口径以避免光致损坏。相比之下基于等离子体的光学器件可承受极高的光强，因此等离子体光学有望为高功率激光器的设计与应用带来下一轮的革命性变化。

基于极端法拉第效应调制强激光的偏振 [Optica 4, 1086 (2017)]

首先，我们研究发现了等离子体中的极端法拉第效应。1846年发现的法拉第效应或称法拉第旋转，可归因于磁化材料中左旋和右旋圆偏振光的相速度差，提供了一种巧妙的操纵光偏振态以及测量磁场的方法，成为磁光学的基石。与之相比，极端法拉第效应基于左旋和右旋圆偏振光之间的群速度差，它可将一束线偏振超短激光脉冲在时间上分裂成一束左旋圆偏振加一束右旋圆偏振的两个子脉冲；这为操纵高功率激光脉冲提供了一个新的自由度，同时提供了一种测量强磁场的新方法。

等离子体光学方法调制强激光的频率 [Light: Science and Applications 9, 46 (2020)]。

近期，我们基于等离子体光调制器提出了一种高效产生相对论准单周期中红外光学脉冲的新型方案。它利用在等离子体中两束同向传播的超短激光脉冲，其中第一束脉冲驱动电子等离子体波作为频率调制器，而第二束信号脉冲经过一定的时间延迟后再入射。当信号脉冲在恰当的时刻被载入时，它可以被转换为中心波长约5微米的中红外脉冲。所产生的接近单周期的中红外脉冲可以达到相对论强度，特别适合用于超快科学、粒子加速以及产生更亮的硬X射线和更短的阿秒脉冲等领域。

未来，我们将进一步发展等离子体光学方法，用于对强激光脉冲进行强度放大、以及对其偏振、频谱、相位等特性进行更高效灵活的调制；这对于高功率激光科学的发展及其应用的拓展与推广具有重要的意义与价值。

二、激光聚变

可控核聚变有望为人类提供源源不断的清洁高效能源，从而被誉为“人类能源的终极解决方案”。激光聚变是实现可控核聚变的主要途径之一，然而在激光聚变中依然存在着诸多人类目前尚未充分理解的物理过程甚至尚未涉足的研究领域，有待我们进一步探索。

新型聚变点火方案示意图及其LPI过程

激光聚变中，受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、双等离子体衰变（TPD）等激光等离子体不稳定性（LPI）会造成相当份额的激光能量损失，同时产生的有害超热电子还会预热靶丸，进而影响压缩效率和聚变能量增益。对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现激光聚变点火至关重要。近期，我们对LPI过程进行了一些初步的研究，并提出了解耦宽带激光等有效抑制LPI的方案。

强电场中的等离子体输运理论 [Phys. Rev. Lett. 100, 185001 (2008)]。

强激光与等离子体的相互作用过程会形成极大的温度梯度，同时产生极强的电场和磁场；这些极端条件下，基于微扰理论的经典输运理论将不再适用。借助于自主开发的Fokker-Planck数值模拟程序，我们研究了强电场或大温度梯度情况下的等离子体输运过程。在理论上，我们推导了等离子体中的普适欧姆定律，它可精确描述强电场中的等离子体输运过程。

随着对激光聚变研究的不断推进，我们将对其中的非局域电子热输运、级联LPI过程、不同LPI过程的耦合等物理过程进行更深入更系统的研究；这将有助于发现更多丰富有趣的物理现象，揭示更普适更精准的物理规律。

同时，我们准备利用等离子体光学方法，为抑制激光聚变中LPI等不稳定性过程提供新的思路，设计更有效的方案。

三、等离子体天体物理

虽然我们人类非常幸运地生存在主要由固、液、气三态物质构成的相对稳定的自然生态系统中；然而据估计宇宙中99%以上的可见物质是以等离子体形态存在的。因此，等离子体物理对于我们研究恒星、超新星遗迹、活动星系核等天体，以及各种宇宙射线的产生及其在星际介质中的传播等过程都发挥着至关重要的作用。

尤其重要的是，随着现代激光技术的不断发展，强激光与物质相互作用已经可以产生超过10¹¹ bar的压强、10⁹C的温度以及10⁴T的强磁场等类似天文环境中的极端条件，这提供了在实验室中研究无碰撞冲击波等天体物理现象的可能。近年来，强激光驱动的无碰撞冲击波、等离子体喷流、以及磁重联过程等现象引起了实验室天体物理学界的广泛关注。

未来，我们将开拓等离子体天体物理、实验室天体物理等领域的研究；将我们在强激光与物质相互作用过程中所获知的物理规律推广应用到更广阔的领域。

四、算法设计与程序开发

如前所述，激光等离子体相互作用涉及到一系列的非线性过程，如各种不稳定性；所以激光等离子体相互作用通常难以用经典的线性理论进行描述分析。因而，利用数值程序开展计算机模拟已逐渐成为验证激光等离子体理论以及解释相关物理实验的常用手段。

我曾为微软亚洲研究院的矩阵库项目设计了全套的矩阵运算算法；并指导项目组基于此套算法开发相应的程序库；其测试效率优于目前科研人员所广泛使用的某科学计算软件（此软件已禁止国内部分高校使用）。

为了研究等离子体中的电子热输运等过程，我们经过近十年的逐步发展，设计并开发了一套Vlasov-Fokker-Planck（VFP）动理学数值模拟程序。最近我们正与交大数学科学学院合作对该程序进行升级和扩展；使之包含简并效应、同时可模拟两团超高密度等离子体的超高速对撞过程。

针对等离子体光学、激光等离子体不稳定性等方面的应用，我们最近初步开发了一套基于Particle-Mesh（PM）方案的动理学-流体混合模拟程序。未来，我们准备将此程序拓展到更高的维度，同时更自洽地包含激光能量沉积、输运等过程。

1. X. L. Zhu, S. M. Weng*, M. Chen, Z. M. Sheng*, and J. Zhang, “Efficient generation of relativistic near-single-cycle mid-infrared pulses in plasmas”, Light: Science and Applications 9, 46 (2020). 

2. Y. Zhao*, S. Weng, Z. Sheng, N. Kang, H. Liu, J. Zhu, and J. Zhang, “Plasma modulator for high-power intense lasers”, Optics Express 28, 15794 (2020).

3. X. Zheng, S. Weng*, Z. Zhang, H. Ma, M. Chen, P. McKenna, and Z. Sheng*, “Simultaneous polarization transformation and amplification of multi-petawatt laser pulses in magnetized plasmas”, Optics Express 27, 19319 (2019). 

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17. S. M. Weng*, M. Murakami, P. Mulser, and Z. M. Sheng, “Ultra-intense laser pulse propagation in plasmas: from classic hole-boring to incomplete hole-boring with relativistic transparency”, New Journal of Physics 14, 063026 (2012). 

18. S. M. Weng*, P. Mulser*, and Z. M. Sheng, “Relativistic critical density increase and relaxation and high-power pulse propagation”, Physics of Plasmas 19, 022705 (2012). 

19. S. M. Weng, Z. M. Sheng*, and J. Zhang, “Inverse bremsstrahlung absorption with nonlinear effects of high laser intensity and non-Maxwellian distribution”, Physical Review E 80, 056406 (2009). 

20. S. M. Weng, Z. M. Sheng*, M. Q. He, J. Zhang, P. A. Norreys, M. Sherlock, and A. P. L. Robinson, “Plasma currents and electron distribution functions under a dc electric field of arbitrary strength”, Phys. Rev. Lett. 100, 185001 (2008).

2018年度作为团队骨干之一荣获香港求是基金会“杰出科技成就集体奖”；2019年度荣获国防基础科研核科学挑战专题“科学挑战英才”称号；2020 年度荣获亚太等离子体学会“杰出青年科学家奖”。

开展学生工作坚持“身教重于言教”，多次获评院校优秀班主任、十佳班主任；已培养博士毕业生6名（其中5人在上海交大、东京大学、西安交大等国内外知名高校继续从事科教工作）；在读博士研究生6名。

欢迎有志从事等离子体光学、激光聚变、实验室天体物理等物理领域研究，或对算法设计与程序开发等计算数学感兴趣的同学们加入我们研究团队。欢迎微信扫码联系我：