交大团队基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究获突破

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近日，上海交通大学校长、物理与天文系张杰院士研究团队基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究获重要进展，相关研究成果发表在《物理快报》[Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)]上，被编辑选为Editors’Suggestion，并被Nature Photonics在其Research highlights栏目中进行介绍（"Table-top brilliance", Nature Photonics 10, 431 (2016), doi:10.1038/nphoton.2016.132）。论文题目为："Demonstration of Coherent Terahertz Transition Radiation from Relativistic Laser-Solid Interactions"。

太赫兹(THz)辐射位于中红外和微波辐射之间，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。然而大能量太赫兹辐射源的缺乏是限制太赫兹科学发展的关键瓶颈问题之一。等离子体能够承受任意光强的泵浦，可以克服光整流等传统太赫兹产生方法中光学元件的损伤问题。目前国际上基于激光-等离子体相互作用的太赫兹辐射研究主要集中在双色激光泵浦空气光丝方案，由于等离子体对激光的散焦效应，光丝内光强被钳制在10^15-16W/cm²以下。

超强激光的峰值功率可达百太瓦(10¹²W)甚至拍瓦(10¹⁵W)水平，聚焦光强超过10¹⁸W/cm²，进入了相对论非线性范畴(电子可被光场加速至接近光速)。为了充分发挥相对论激光的优势，上海交通大学物理与天文系激光等离子体实验室张杰院士、盛政明教授等人与中国科学院物理研究所光物理重点实验室李玉同研究员组成的研究团队对相对论激光-固体靶相互作用产生太赫兹辐射的新途径进行了十余年的探索，取得了一系列开创性结果。在前期工作中，该团队研究了靶前的太赫兹辐射，提出了基于小尺度预等离子体的靶面超热电子瞬态电流辐射机制[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)]以及基于大尺度预等离子体的电子等离子体波模式转换机制[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]，并成功进行了实验演示。

激光与固体靶相互作用在靶后产生太赫兹辐射的物理图像

最近，该团队廖国前、远晓辉等人利用上海交通大学激光等离子体教育部实验室200TW激光装置，将研究范围拓展到在固体靶后的太赫兹辐射产生。在相对论飞秒激光与固体薄膜靶作用中，在靶后产生了单发能量近400微焦的太赫兹脉冲，这已与大型加速器产生的太赫兹脉冲能量相当。太赫兹辐射产生的物理图像为：相对论激光与等离子体相互作用产生了大量前向超热电子，这些电子从靶后表面逃逸到真空中时，会激发渡越辐射。由于电子束的脉冲时长为几十飞秒到皮秒量级，所以相干辐射波长在太赫兹波段(图1)。实验研究了小尺寸金属靶、金属-聚乙烯(PE)复合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越辐射，实验结果完全验证了这一产生机制。实验中还同时观测了靶后鞘层场加速产生的离子束特性，发现离子束与太赫兹辐射呈现非同步的变化规律，这表明在该实验条件下，太赫兹辐射与离子加速的产生机制并不一样，这与目前国际主流的认识不同。该团队提出的产生机制和实验演示不仅为实现小型化、大能量、宽谱太赫兹辐射源开辟了新途径，而且有望发展成为一种在线诊断激光等离子体相互作用的新方法。