超強激光的峰值功率可達百太瓦( 10¹² W)甚至拍瓦( 10¹⁵ W)水平，聚焦光強超過10¹⁸W/cm² ，進入了相對論范疇(電子可被光場加速至接近光速)。為了充分發(fā)揮相對論激光的優(yōu)勢，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室L05組的廖國前博士、李玉同研究員和上海交通大學(xué)張杰院士、盛政明教授等人組成的研究團隊，對相對論激光-固體靶相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射的新途徑進行了十余年的探索，取得了一系列開創(chuàng)性結(jié)果。在前期工作中，該團隊研究了靶前的太赫茲輻射，提出了基于小尺度預(yù)等離子體的靶面超熱電子瞬態(tài)電流輻射機制[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)]以及基于大尺度預(yù)等離子體的電子等離子體波模式轉(zhuǎn)換機制[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]，并成功進行了實驗演示。

　　最近，該團隊將研究范圍拓展到靶后太赫茲輻射。在相對論飛秒激光與固體薄膜靶作用中，在靶后產(chǎn)生了單發(fā)能量近400微焦的太赫茲脈沖，這已與大型加速器產(chǎn)生的太赫茲脈沖能量相當(dāng)。太赫茲輻射產(chǎn)生的物理圖像為：相對論激光與等離子體相互作用產(chǎn)生了大量前向超熱電子，這些電子從靶后表面逃逸到真空中時，會激發(fā)渡越輻射。由于電子束的脈沖時長為幾十飛秒到皮秒量級，所以相干輻射波長在太赫茲波段(圖1)。實驗研究了小尺寸金屬靶、金屬-聚乙烯(PE)復(fù)合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越輻射，實驗結(jié)果完全驗證了這一產(chǎn)生機制(圖2)。實驗中還同時觀測了靶后鞘層場加速產(chǎn)生的離子束特性，發(fā)現(xiàn)離子束與太赫茲輻射呈現(xiàn)非同步的變化規(guī)律，這表明在該實驗條件下，太赫茲輻射與離子加速的產(chǎn)生機制并不一樣，這與目前國際主流的認識不同。該團隊提出的產(chǎn)生機制和實驗演示不僅為實現(xiàn)小型化、大能量、寬譜太赫茲輻射源開辟了新途徑，而且有望發(fā)展成為一種在線診斷激光等離子體相互作用的新方法。

　　相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)上，并被編輯選為Editors’ Suggestion。

　　本項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（項目批準(zhǔn)號：11520101003）、科技部973項目、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心和中國科學(xué)院的支持。

 

　　圖1. 激光與固體靶相互作用在靶后產(chǎn)生太赫茲輻射的物理圖像

 

　　圖2. 靶后太赫茲輻射隨隨靶尺寸的變化，不同的曲線表示不同參數(shù)下相干渡越輻射的理論預(yù)期。隨著靶尺寸減小至一定值后，太赫茲輻射隨之減弱。