強(qiáng)激光高能量密度物理研究新進(jìn)展---相對論強(qiáng)激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)太赫茲光源

太赫茲(THz)波在頻譜上位于遠(yuǎn)紅外和微波之間，由于其獨(dú)特的“指紋譜性”和光子能量低等特點(diǎn)，在材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國防安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(xué)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。利用傳統(tǒng)加速器產(chǎn)生的相對論電子束，通過自由電子激光等機(jī)制，可以產(chǎn)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(xué)方法可以獲得小型化的太赫茲源。傳統(tǒng)的做法是利用飛秒激光泵浦非線性光學(xué)晶體產(chǎn)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(qiáng)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(chǎn)生強(qiáng)太赫茲輻射。

近年來人們對強(qiáng)激光-氣體（尤其是空氣）等離子體相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)的泵浦激光相互作用。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L05組的李玉同研究員和上海交通大學(xué)張杰院士/盛政明教授等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，對強(qiáng)激光-固體靶作用驅(qū)動(dòng)的太赫茲輻射源進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的探索，不僅獲得了系列結(jié)果，而且對之前尚無定論的太赫茲產(chǎn)生機(jī)制問題逐漸形成了自己的認(rèn)識體系。在前期的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的極光二號飛秒激光裝置，在固體靶前得到了能量達(dá)50 μJ/sr的太赫茲輻射[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012)]；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小預(yù)等離子體尺度有利于太赫茲輻射[Phys. Rev. E 84, 036405 (2011)]； 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了靶面自組織瞬態(tài)電流輻射模型[Opt. Express 22, 11797 (2014)]。

在之前工作基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)最近將研究參數(shù)拓展到一個(gè)新的范圍。通過國際合作，利用美國LLNL國家實(shí)驗(yàn)室的相對論皮秒激光與大尺度等離子體相互作用，他們發(fā)現(xiàn)在激光反射方向，太赫茲輻射隨著激光能量增加呈現(xiàn)出非線性增長的特點(diǎn)，并存在一個(gè)最佳的預(yù)等離子體狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)得到了單發(fā)強(qiáng)度大于200 μJ/sr的太赫茲輻射。在粒子模擬的基礎(chǔ)上，提出了受激拉曼散射和自調(diào)制不穩(wěn)定性激發(fā)的等離子體波通過模式轉(zhuǎn)換激發(fā)太赫茲波的物理模型，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了盛政明、張杰等人之前提出的模式轉(zhuǎn)換理論[Phys. Rev. Lett. 94, 095003 (2005)]。該工作揭示的這一機(jī)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(tuán)簇靶。利用這個(gè)方法，有望實(shí)現(xiàn)臺面化頻譜可調(diào)的高重頻的強(qiáng)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(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)上。

本項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部973項(xiàng)目、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)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(biāo)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(shí)空演化。

來源：中國科學(xué)院物理研究所