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光学工程
强太赫兹辐射的“源”来如此

太赫兹(THz)辐射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严重限制了太赫兹技术的发展和应用。

目前超强激光的峰值功率可达百太瓦甚至拍瓦水平,聚焦光强超过1018 W/cm2,进入了相对论范畴(电子可被光场加速至接近光速)。利用相对论激光-等离子体相互作用可以有效产生太赫兹脉冲,这为实现强太赫兹辐射提供了一个崭新平台。

中国科学院物理研究所李玉同研究员和上海交通大学张杰院士/盛政明教授等人组成的研究团队,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。近期,该团队利用相对论飞秒激光与固体薄膜靶作用,在靶后获得了单发能量近400微焦的太赫兹脉冲,这已与传统大型加速器产生的太赫兹脉冲能量相当。相关研究结果发表在Phys. Rev. Lett. [116, 205003 (2016)]上,并被编辑选为Editors’ Suggestion。


图1. 激光与固体薄膜靶作用在靶后产生太赫兹辐射的示意图

针对实验结果,该团队提出了太赫兹辐射产生的一个物理图像:相对论激光与等离子体相互作用能够产生大量前向超热电子,当这些电子从靶后表面逃逸到真空中时,便会激发渡越辐射产生太赫兹脉冲。由于电子束的脉冲时长为几十飞秒到皮秒量级,因此渡越辐射在太赫兹波段是相干的。

该团队实验研究比较了横向尺寸、厚度对于金属靶、金属-聚乙烯复合靶等不同靶型的渡越辐射,实验结果与上述物理图像完全一致。

该团队提出的太赫兹辐射产生机制和实验演示为实现小型化、大能量、宽谱太赫兹辐射源开辟了新的途径,这一实验思路也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。

这一文章发表后,Nature Photonics、Physics World等国外著名学术期刊和科学媒体对该工作进行了报道。


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