太瓦级宽谱可调谐太赫兹辐射源 | 进展

太赫兹(THz)辐射在电磁频谱中位于红外波和微波之间，由于其单光子能量低和谱“指纹性”等独特性质，在材料科学、生物医疗和国防安全等领域具有重要应用。许多前沿的太赫兹应用，例如选择性激发和调控物质体系中特定自由度或集体模式，往往需要太赫兹辐射源不仅具有高功率，而且频谱也是可调谐的。近些年陆续出现了一些基于加速器、晶体或等离子体的强太赫兹产生方法，虽然太赫兹峰值功率可达吉瓦(GW)量级，但是很难同时实现频谱的大范围调谐，尤其在5~15 THz频段内。如何获得更高功率且频谱可大范围调谐的强太赫兹源仍然是太赫兹领域的巨大挑战之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L05组廖国前特聘研究员和李玉同研究员等人组成的研究团队，对相对论强激光与固体密度等离子体相互作用产生太赫兹辐射的新途径进行了多年探索，在物理机制和性能指标方面取得了一系列重要进展。最近，该团队利用高对比度超强飞秒激光与金属薄膜相互作用，通过调控激光加速电子束的时空演化动力学，不仅将太赫兹辐射峰值功率提升到太瓦(TW)量级，而且同时实现了太赫兹中心频率在3~20 THz之间的大范围调谐。

团队研制了基于飞秒拍瓦激光与固体靶相互作用的多功能太赫兹实验平台，利用自主研发的非共线自相关技术单发诊断太赫兹频谱，采用交叉偏振波技术提高激光对比度，允许使用微米级厚度的薄膜靶。在0.5 PW激光驱动条件下，通过优化靶厚度，实验测量的太赫兹脉冲能量最高可达172毫焦，对应激光-太赫兹能量转换效率达到1.15%[目前实验报道的相对论激光等离子体太赫兹源的最高产生效率]。当金属薄膜靶厚度从5微米逐步增加至300微米，太赫兹频谱的中心频率从20 THz逐渐调谐至3 THz。结合电子束诊断，构建了相关的理论模型，解释了实验结果。太赫兹频谱的调谐主要源于激光加速的电子束在不同靶厚度条件下呈现了不同的输运动力学，尤其在薄膜靶情形下，电子束受靶面自生鞘层场作用在靶前后表面之间做往返加减速运动，产生多周期窄带太赫兹辐射。实验演示太赫兹源的峰值功率最高约2 TW，在3~20 THz范围内调谐的同时，保持功率谱密度超过0.2 TW/THz，比当前其它强太赫兹源(例如大型的自由电子激光器)高出百余倍。这种极端太赫兹源有望为远离平衡态的选择性物态调控提供独特的泵浦手段，甚至将太赫兹波与物质相互作用推进到以往无法实现的相对论光学范畴。

图1. 超强激光与固体靶作用驱动可调谐太赫兹辐射的原理示意图

相关结果近期以” Terawatt-level widely-tunable terahertz pulses from femtosecond laser-irradiated metallic foils”为题发表于光学领域国际著名期刊《Optica》。相关实验是在综合极端条件实验装置超快x射线动力学实验站的拍瓦激光装置上开展完成的。本项研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目的支持。

编辑：辣条