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光學工程
強太赫茲輻射的“源”來如此

太赫茲(THz)輻射由于其單光子能量低和譜“指紋性”等獨特優勢,在材料科學、生物醫療和國防安全等領域具有重要應用。然而大能量太赫茲輻射源的缺乏嚴重限制了太赫茲技術的發展和應用。

目前超強激光的峰值功率可達百太瓦甚至拍瓦水平,聚焦光強超過1018 W/cm2,進入了相對論范疇(電子可被光場加速至接近光速)。利用相對論激光-等離子體相互作用可以有效產生太赫茲脈沖,這為實現強太赫茲輻射提供了一個嶄新平臺。

中國科學院物理研究所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余年的探索,取得了一系列開創性結果。近期,該團隊利用相對論飛秒激光與固體薄膜靶作用,在靶后獲得了單發能量近400微焦的太赫茲脈沖,這已與傳統大型加速器產生的太赫茲脈沖能量相當。相關研究結果發表在Phys. Rev. Lett. [116, 205003 (2016)]上,并被編輯選為Editors’ Suggestion。


圖1. 激光與固體薄膜靶作用在靶后產生太赫茲輻射的示意圖

針對實驗結果,該團隊提出了太赫茲輻射產生的一個物理圖像:相對論激光與等離子體相互作用能夠產生大量前向超熱電子,當這些電子從靶后表面逃逸到真空中時,便會激發渡越輻射產生太赫茲脈沖。由于電子束的脈沖時長為幾十飛秒到皮秒量級,因此渡越輻射在太赫茲波段是相干的。

該團隊實驗研究比較了橫向尺寸、厚度對于金屬靶、金屬-聚乙烯復合靶等不同靶型的渡越輻射,實驗結果與上述物理圖像完全一致。

該團隊提出的太赫茲輻射產生機制和實驗演示為實現小型化、大能量、寬譜太赫茲輻射源開辟了新的途徑,這一實驗思路也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。

這一文章發表后,Nature Photonics、Physics World等國外著名學術期刊和科學媒體對該工作進行了報道。


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