太瓦級寬譜可調諧太赫茲輻射源 | 進展

太赫茲(THz)輻射在電磁頻譜中位于紅外波和微波之間，由于其單光子能量低和譜“指紋性”等獨特性質，在材料科學、生物醫療和國防安全等領域具有重要應用。許多前沿的太赫茲應用，例如選擇性激發和調控物質體系中特定自由度或集體模式，往往需要太赫茲輻射源不僅具有高功率，而且頻譜也是可調諧的。近些年陸續出現了一些基于加速器、晶體或等離子體的強太赫茲產生方法，雖然太赫茲峰值功率可達吉瓦(GW)量級，但是很難同時實現頻譜的大范圍調諧，尤其在5~15 THz頻段內。如何獲得更高功率且頻譜可大范圍調諧的強太赫茲源仍然是太赫茲領域的巨大挑戰之一。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室L05組廖國前特聘研究員和李玉同研究員等人組成的研究團隊，對相對論強激光與固體密度等離子體相互作用產生太赫茲輻射的新途徑進行了多年探索，在物理機制和性能指標方面取得了一系列重要進展。最近，該團隊利用高對比度超強飛秒激光與金屬薄膜相互作用，通過調控激光加速電子束的時空演化動力學，不僅將太赫茲輻射峰值功率提升到太瓦(TW)量級，而且同時實現了太赫茲中心頻率在3~20 THz之間的大范圍調諧。

團隊研制了基于飛秒拍瓦激光與固體靶相互作用的多功能太赫茲實驗平臺，利用自主研發的非共線自相關技術單發診斷太赫茲頻譜，采用交叉偏振波技術提高激光對比度，允許使用微米級厚度的薄膜靶。在0.5 PW激光驅動條件下，通過優化靶厚度，實驗測量的太赫茲脈沖能量最高可達172毫焦，對應激光-太赫茲能量轉換效率達到1.15%[目前實驗報道的相對論激光等離子體太赫茲源的最高產生效率]。當金屬薄膜靶厚度從5微米逐步增加至300微米，太赫茲頻譜的中心頻率從20 THz逐漸調諧至3 THz。結合電子束診斷，構建了相關的理論模型，解釋了實驗結果。太赫茲頻譜的調諧主要源于激光加速的電子束在不同靶厚度條件下呈現了不同的輸運動力學，尤其在薄膜靶情形下，電子束受靶面自生鞘層場作用在靶前后表面之間做往返加減速運動，產生多周期窄帶太赫茲輻射。實驗演示太赫茲源的峰值功率最高約2 TW，在3~20 THz范圍內調諧的同時，保持功率譜密度超過0.2 TW/THz，比當前其它強太赫茲源(例如大型的自由電子激光器)高出百余倍。這種極端太赫茲源有望為遠離平衡態的選擇性物態調控提供獨特的泵浦手段，甚至將太赫茲波與物質相互作用推進到以往無法實現的相對論光學范疇。

圖1. 超強激光與固體靶作用驅動可調諧太赫茲輻射的原理示意圖

相關結果近期以” Terawatt-level widely-tunable terahertz pulses from femtosecond laser-irradiated metallic foils”為題發表于光學領域國際著名期刊《Optica》。相關實驗是在綜合極端條件實驗裝置超快x射線動力學實驗站的拍瓦激光裝置上開展完成的。本項研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院項目的支持。

編輯：辣條