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 ，進入了相對論範疇(電子可被光場加速至接近光速)。為了充分發揮相對論激光的優勢，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(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張傑院士、盛政明教授等人組成的研究團隊，對相對論激光-固體靶相互作用產生太赫茲輻射的新途徑進行了十餘年的探索，取得了一係列開創性結果。在前期工作中，該團隊研究了靶前的太赫茲輻射，提出了基於小尺度預等離子體的靶麵超熱電子瞬態電流輻射機製[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)]以及基於大尺度預等離子體的電子等離子體波模式轉換機製[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]，並成功進行了實驗演示。

　　最近，該團隊將研究範圍拓展到靶後太赫茲輻射。在相對論飛秒激光與固體薄膜靶作用中，在靶後產生了單發能量近400微焦的太赫茲脈衝，這已與大型加速器產生的太赫茲脈衝能量相當。太赫茲輻射產生的物理圖像為：相對論激光與等離子體相互作用產生了大量前向超熱電子，這些電子從靶後表麵逃逸到真空中時，會激發渡越輻射。由於電子束的脈衝時長為幾十飛秒到皮秒量級，所以相幹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)複合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越輻射，實驗結果完全驗證了這一產生機製(圖2)。實驗中還同時觀測了靶後鞘層場加速產生的離子束特性，發現離子束與太赫茲輻射呈現非同步的變化規律，這表明在該實驗條件下，太赫茲輻射與離子加速的產生機製並不一樣，這與目前國際主流的認識不同。該團隊提出的產生機製和實驗演示不僅為實現小型化、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。

　　相關研究結果近期發表在Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)上，並被編輯選為Editors’ Suggestion。

　　本項研究工作得到了國家自然科學基金項目（項目批準號：11520101003）、科技部973項目、教育部IFSA協同創新中心和中國科學院的支持。

 

　　圖1. 激光與固體靶相互作用在靶後產生太赫茲輻射的物理圖像

 

　　圖2. 靶後太赫茲輻射隨隨靶尺寸的變化，不同的曲線表示不同參數下相幹渡越輻射的理論預期。隨著靶尺寸減小至一定值後，太赫茲輻射隨之減弱。