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

太赫茲(THz)波在頻譜上位于遠紅外和微波之間，由于其獨特的“指紋譜性”和光子能量低等特點，在材料科學、生物醫(yī)療和國防安全等領域具有廣泛的應用。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發(fā)展的關鍵問題之一。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)生強太赫茲輻射。

近年來人們對強激光-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的泵浦激光相互作用。中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室L05組的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，對強激光-固體靶作用驅動的太赫茲輻射源進行了堅持不懈的探索，不僅獲得了系列結果，而且對之前尚無定論的太赫茲產(chǎn)生機制問題逐漸形成了自己的認識體系。在前期的研究中，該團隊利用自主研發(fā)的極光二號飛秒激光裝置，在固體靶前得到了能量達50 μJ/sr的太赫茲輻射[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012)]；實驗發(fā)現(xiàn)小預等離子體尺度有利于太赫茲輻射[Phys. Rev. E 84, 036405 (2011)]； 基于實驗結果提出了靶面自組織瞬態(tài)電流輻射模型[Opt. Express 22, 11797 (2014)]。

在之前工作基礎上，該團隊最近將研究參數(shù)拓展到一個新的范圍。通過國際合作，利用美國LLNL國家實驗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，并存在一個最佳的預等離子體狀態(tài)。實驗得到了單發(fā)強度大于200 μJ/sr的太赫茲輻射。在粒子模擬的基礎上，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換激發(fā)太赫茲波的物理模型，很好地解釋了實驗結果，同時進一步驗證了盛政明、張杰等人之前提出的模式轉換理論[Phys. Rev. Lett. 94, 095003 (2005)]。該工作揭示的這一機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簇靶。利用這個方法，有望實現(xiàn)臺面化頻譜可調(diào)的高重頻的強太赫茲輻射源。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。該研究結果發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)上。

本項研究工作得到了國家自然科學基金項目、科技部973項目、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空演化。

來源：中國科學院物理研究所