進展 | 相對論雷射驅動太瓦級可調諧太赫茲脈衝源

2020-09-30 中科院物理所

太赫茲(THz)輻射在電磁頻譜中位於紅外波和微波之間，由於其單光子能量低和譜「指紋性」等獨特優勢，在材料科學、生物醫療和國防安全等領域具有重要應用。太赫茲輻射源是太赫茲科學發展的基礎和關鍵。目前實驗室報導的太赫茲脈衝源最大峰值功率在吉瓦(109W)水平。除了高功率外，許多前沿太赫茲應用(例如太赫茲相干調控物質、太赫茲粒子加速器等)還需要太赫茲輻射的頻譜、偏振等性質可調控。如何獲得更高功率且可調諧的太赫茲光源是太赫茲領域的巨大挑戰之一。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室L05組廖國前特聘研究員、李玉同研究員和張杰院士等人組成的研究團隊，對相對論強雷射與固體靶相互作用產生太赫茲輻射的新途徑進行了多年探索，在物理機制和性能指標方面取得了一系列重要進展。在前期工作中，該團隊提出並實驗演示了雷射激發的電子等離子體波模式轉換[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]和高能電子相干渡越輻射[Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)]兩類機制，創造了太赫茲脈衝能量的世界紀錄[PNAS 116, 3994 (2019)]。最近，該團隊對太赫茲產生機制和物理過程進行了更深入的研究，不僅將太赫茲輻射峰值功率提高到了太瓦(1012W)量級，而且頻譜可調。

儘管國際上已有若干小組對強雷射與金屬薄膜靶相互作用在靶後產生的太赫茲輻射進行了研究，但其產生機制一直存在爭議。在已有工作的基礎上，該團隊建立了三個相關的物理模型和解析理論(見圖1)：(1)雷射加速的高能電子穿越靶-真空界面時激發相干渡越輻射(TR)；(2)超熱電子與靶面離子之間形成的時變鞘層場相當於一個瞬態電流，產生鞘層輻射(SR)；(3)低能量電子在鞘層場作用下減速-加速運動，產生類韌致輻射(BR)。三個模型產生的輻射具有不同的頻譜，這不僅加深了對太赫茲產生機制的理解，而且為調控太赫茲頻譜提供了新思路。為了驗證該想法，該團隊與英國盧瑟福實驗室David Neely教授合作，在Vulcan雷射裝置上開展了聯合實驗。如理論模型預期，通過採用不同的雷射脈寬和靶尺寸等手段，實現了對太赫茲頻譜的調節。在優化的雷射和靶條件下，太赫茲峰值功率可達1太瓦以上，比當前其它太赫茲脈衝源的最大功率高出百餘倍(見表1)。這種超強太赫茲輻射源有望將太赫茲波與物質相互作用推進到極端非線性範疇。此外，該團隊還利用太赫茲頻譜定量診斷了超熱電子和鞘層場性質，這表明太赫茲輻射也是一種新型的雷射等離子體診斷方法。

相關研究結果近期發表在Phys. Rev. X 10, 031062(2020)上。本項研究工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和牛頓基金等的支持。

文章連結：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031062

圖1. 強雷射與金屬薄膜靶相互作用在靶後產生太赫茲輻射涉及的(a)三種物理過程及其(b)歸一化的相對頻譜。

表1. 實驗室報導的各類強太赫茲脈衝源的峰值功率和帶寬對比。

編輯：Dannis

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