太赫茲(THz)輻射在電磁頻譜中位于紅外波和微波之間，由于其單光子能量低和譜“指紋性”等獨特優(yōu)勢，在材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。太赫茲輻射源是太赫茲科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。目前實驗室報道的太赫茲脈沖源最大峰值功率在吉瓦(109 W)水平。除了高功率外，許多前沿太赫茲應(yīng)用(例如太赫茲相干調(diào)控物質(zhì)、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(zhì)可調(diào)控。如何獲得更高功率且可調(diào)諧的太赫茲光源是太赫茲領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)之一。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)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，對相對論強激光與固體靶相互作用產(chǎn)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(biāo)方面取得了一系列重要進展。在前期工作中，該團隊提出并實驗演示了激光激發(fā)的電子等離子體波模式轉(zhuǎn)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(chuàng)造了太赫茲脈沖能量的世界紀錄[PNAS 116, 3994 (2019)]。最近，該團隊對太赫茲產(chǎn)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(1012 W)量級，而且頻譜可調(diào)。

盡管國際上已有若干小組對強激光與金屬薄膜靶相互作用在靶后產(chǎn)生的太赫茲輻射進行了研究，但其產(chǎn)生機制一直存在爭議。在已有工作的基礎(chǔ)上，該團隊建立了三個相關(guān)的物理模型和解析理論(見圖1)：(1)激光加速的高能電子穿越靶-真空界面時激發(fā)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(dāng)于一個瞬態(tài)電流，產(chǎn)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(chǎn)生類韌致輻射(BR)。三個模型產(chǎn)生的輻射具有不同的頻譜，這不僅加深了對太赫茲產(chǎn)生機制的理解，而且為調(diào)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激光裝置上開展了聯(lián)合實驗。如理論模型預(yù)期，通過采用不同的激光脈寬和靶尺寸等手段，實現(xiàn)了對太赫茲頻譜的調(diào)節(jié)。在優(yōu)化的激光和靶條件下，太赫茲峰值功率可達1太瓦以上，比當(dāng)前其它太赫茲脈沖源的最大功率高出百余倍(見表1)。這種超強太赫茲輻射源有望將太赫茲波與物質(zhì)相互作用推進到極端非線性范疇。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(zhì)，這表明太赫茲輻射也是一種新型的激光等離子體診斷方法。

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

圖1. 強激光與金屬薄膜靶相互作用在靶后產(chǎn)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. 實驗室報道的各類強太赫茲脈沖源的峰值功率和帶寬對比。