相对论激光驱动太瓦级可调谐太赫兹脉冲源

太赫兹(THz)辐射在电磁频谱中位于红外波和微波之间，由于其单光子能量低和谱“指纹性”等独特优势，在材料科学、生物医疗和国防安全等领域具有重要应用。太赫兹辐射源是太赫兹科学发展的基础和关键。目前实验室报道的太赫兹脉冲源最大峰值功率在吉瓦(109 W)水平。除了高功率外，许多前沿太赫兹应用(例如太赫兹相干调控物质、太赫兹粒子加速器等)还需要太赫兹辐射的频谱、偏振等性质可调控。如何获得更高功率且可调谐的太赫兹光源是太赫兹领域的巨大挑战之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L05组廖国前特聘研究员、李玉同研究员和张杰院士等人组成的研究团队，对相对论强激光与固体靶相互作用产生太赫兹辐射的新途径进行了多年探索，在物理机制和性能指标方面取得了一系列重要进展。在前期工作中，该团队提出并实验演示了激光激发的电子等离子体波模式转换[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]和高能电子相干渡越辐射[Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)]两类机制，创造了太赫兹脉冲能量的世界纪录[PNAS 116, 3994 (2019)]。最近，该团队对太赫兹产生机制和物理过程进行了更深入的研究，不仅将太赫兹辐射峰值功率提高到了太瓦(1012 W)量级，而且频谱可调。

尽管国际上已有若干小组对强激光与金属薄膜靶相互作用在靶后产生的太赫兹辐射进行了研究，但其产生机制一直存在争议。在已有工作的基础上，该团队建立了三个相关的物理模型和解析理论(见图1)：(1)激光加速的高能电子穿越靶-真空界面时激发相干渡越辐射(TR)；(2)超热电子与靶面离子之间形成的时变鞘层场相当于一个瞬态电流，产生鞘层辐射(SR)；(3)低能量电子在鞘层场作用下减速-加速运动，产生类韧致辐射(BR)。三个模型产生的辐射具有不同的频谱，这不仅加深了对太赫兹产生机制的理解，而且为调控太赫兹频谱提供了新思路。为了验证该想法，该团队与英国卢瑟福实验室David Neely教授合作，在Vulcan激光装置上开展了联合实验。如理论模型预期，通过采用不同的激光脉宽和靶尺寸等手段，实现了对太赫兹频谱的调节。在优化的激光和靶条件下，太赫兹峰值功率可达1太瓦以上，比当前其它太赫兹脉冲源的最大功率高出百余倍(见表1)。这种超强太赫兹辐射源有望将太赫兹波与物质相互作用推进到极端非线性范畴。此外，该团队还利用太赫兹频谱定量诊断了超热电子和鞘层场性质，这表明太赫兹辐射也是一种新型的激光等离子体诊断方法。

相关研究结果近期发表在Phys. Rev. X 10, 031062(2020)上。本项研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和牛顿基金等的支持。

图1. 强激光与金属薄膜靶相互作用在靶后产生太赫兹辐射涉及的(a)三种物理过程及其(b)归一化的相对频谱。

表1. 实验室报道的各类强太赫兹脉冲源的峰值功率和带宽对比。