上海交大：相对论强激光辐照薄膜靶实现太瓦级可调谐太赫兹脉冲输出

太赫兹(THz)辐射在电磁频谱中位于红外光和微波之间，由于其单光子能量低、在非导电材料中的穿透性，以及谱“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前景。长期以来，制约太赫兹科学技术发展的关键瓶颈是，如何实现频谱、时空结构、偏振特性可调谐的高功率太赫兹辐射输出。在过去的十年多的时间里，上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室为了克服这个瓶颈性困难，开展了一系列理论和实验的研究工作。其中在激光与气体靶作用方面，他们利用双色激光实现了对辐射方向、频谱、偏振态的调控[Phys. Rev. Lett.117, 243901 (2016); Nature Photonics 12, 554-559 (2018)]。在强激光与固体靶作用方面，他们与中国科学院物理研究所李玉同研究员团队合作，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，创造了太赫兹脉冲输出能量的世界纪录[PNAS 116, 3994 (2019)]。

强激光与金属薄膜靶相互作用，通过其产生的超热电子在靶后产生太赫兹辐射涉及的三种物理过程(a)及其归一化的相对频谱(b)。

最近，激光等离子体教育部重点实验室张杰院士、盛政明教授又与中科院物理研究所廖国前特聘研究员、李玉同研究员等人合作，对相对论强激光与薄膜靶相互作用产生太赫兹辐射的机制和实现手段进行了更深入的研究。他们建立了三个相关的物理模型和相应的解析理论（上图），即激光加速的高能电子穿越薄膜靶-真空界面时激发相干渡越辐射（TR）、超热电子与靶面离子之间形成的时变鞘层场产生的鞘层辐射（SR）、低能量电子在鞘层场作用下减速-加速运动产生的类韧致辐射（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。通过与英国卢瑟福实验室David Neely教授等人合作开展了联合实验，验证了上述理论模型。在优化的激光和靶条件下，太赫兹峰值功率可达1太瓦（10^12W）以上，比当前其它太赫兹脉冲源的最大功率高出百余倍，而且实现了对输出频谱的调谐。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，为太赫兹科学技术发展提供新的手段。

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、科技部等的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031062