強激光高能量密度物理研究新進展---相對論強激光與等離子體相互作用產生的強太赫茲光源

太赫茲(THz)波在頻譜上位于遠紅外和微波之間，由于其獨特的“指紋譜性”和光子能量低等特點，在材料科學、生物醫療和國防安全等領域具有廣泛的應用。如何獲得高功率、大能量（百微焦量級）的太赫茲光源是目前太赫茲科學發展的關鍵問題之一。利用傳統加速器產生的相對論電子束，通過自由電子激光等機制，可以產生>100微焦的太赫茲輻射脈沖。和基于加速器的光源相比，光學方法可以獲得小型化的太赫茲源。傳統的做法是利用飛秒激光泵浦非線性光學晶體產生太赫茲輻射，但受晶體損傷等瓶頸問題的制約，泵浦激光的強度和能量不能很高。而等離子體完全沒有損傷的問題，可用以產生強太赫茲輻射。

近年來人們對強激光-氣體（尤其是空氣）等離子體相互作用產生太赫茲輻射進行了深入研究，但是受等離子體散焦的影響，空氣中激光聚焦的光強一般低于1015-16W/cm2。相比之下，在真空中，固體密度等離子體原則上可與任意光強的泵浦激光相互作用。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組的李玉同研究員和上海交通大學張杰院士/盛政明教授等人組成的研究團隊，對強激光-固體靶作用驅動的太赫茲輻射源進行了堅持不懈的探索，不僅獲得了系列結果，而且對之前尚無定論的太赫茲產生機制問題逐漸形成了自己的認識體系。在前期的研究中，該團隊利用自主研發的極光二號飛秒激光裝置，在固體靶前得到了能量達50 μJ/sr的太赫茲輻射[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012)]；實驗發現小預等離子體尺度有利于太赫茲輻射[Phys. Rev. E 84, 036405 (2011)]； 基于實驗結果提出了靶面自組織瞬態電流輻射模型[Opt. Express 22, 11797 (2014)]。

在之前工作基礎上，該團隊最近將研究參數拓展到一個新的范圍。通過國際合作，利用美國LLNL國家實驗室的相對論皮秒激光與大尺度等離子體相互作用，他們發現在激光反射方向，太赫茲輻射隨著激光能量增加呈現出非線性增長的特點，并存在一個最佳的預等離子體狀態。實驗得到了單發強度大于200 μJ/sr的太赫茲輻射。在粒子模擬的基礎上，提出了受激拉曼散射和自調制不穩定性激發的等離子體波通過模式轉換激發太赫茲波的物理模型，很好地解釋了實驗結果，同時進一步驗證了盛政明、張杰等人之前提出的模式轉換理論[Phys. Rev. Lett. 94, 095003 (2005)]。該工作揭示的這一機制不僅適用于固體靶前的大尺度等離子體，而且可用于氣體或團簇靶。利用這個方法，有望實現臺面化頻譜可調的高重頻的強太赫茲輻射源。此外這種太赫茲輻射也可以作為一種激光-等離子體相互作用的新型診斷手段。該研究結果發表在Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)上。

本項研究工作得到了國家自然科學基金項目、科技部973項目、教育部IFSA協同創新中心和中科院的支持。

圖1.太赫茲能量隨(a)泵浦激光能量和(b)等離子體密度標長的變化。

圖2. (a)太赫茲輻射的物理模型；(b)粒子模擬得到的太赫茲輻射場時空演化。

來源：中國科學院物理研究所