强激光驱动的超高峰值功率可调谐太赫兹脉冲源

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甚至相对论范畴。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。相关研究结果以“Towards terawatt-scale spectrally tunable terahertz pulses via relativistic laser-foil interactions”为题于2020年9月18日在线发表在[Physical Review X 10, 031062(2020)]上。

       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。目前基于电子学或光学方法的太赫兹脉冲源最大峰值功率在吉瓦水平。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、太赫兹化学等)需要太赫兹辐射既具有更高的峰值功率又频谱可调控。如何产生这种太赫兹光源是太赫兹领域的巨大挑战之一。

       针对这一难题，研究团队探索了利用相对论强激光与固体密度等离子体相互作用产生太赫兹辐射的新途径，在物理机制和性能调控方面进行了深入研究。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，该团队建立了一套相对完备的物理模型和解析理论。

       该理论具体包括三个过程(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)。三个过程产生的辐射具有不同的频谱，且与不同的参量相关。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。

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。

为了验证该想法，该团队在英国卢瑟福实验室的Vulcan激光装置上开展了原理性演示实验。正如理论模型所预期的，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控。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)。这种可调的超强太赫兹源将为非线性太赫兹物质操控、强场太赫兹泵浦-探测实验等极端太赫兹科学研究提供全新机遇。此外，基于太赫兹产生模型，该团队还利用太赫兹频谱定量反推了靶面逃逸电子和靶后鞘层电子的信息，与实验测量和理论计算吻合，这表明太赫兹辐射也可作为一种实时无损诊断激光等离子体的新方法。

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。

中国科学院物理研究所廖国前特聘研究员是该论文的第一作者，李玉同研究员、张杰院士和英国卢瑟福实验室David Neely教授为共同通讯作者，中国科学院物理研究所是第一完成和通讯单位。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项目的支持。

       论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031062