太赫茲(THz)輻射在電磁頻譜中位于紅外光和微波之間，由于其單光子能量低、在非導(dǎo)電材料中的穿透性，以及譜“指紋性”等獨特優(yōu)勢，在材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。長期以來，制約太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸是，如何實現(xiàn)頻譜、時空結(jié)構(gòu)、偏振特性可調(diào)諧的高功率太赫茲輻射輸出。在過去的十年多的時間里，上海交通大學(xué)激光等離子體教育部重點實驗室為了克服這個瓶頸性困難，開展了一系列理論和實驗的研究工作。其中在激光與氣體靶作用方面，他們利用雙色激光實現(xiàn)了對輻射方向、頻譜、偏振態(tài)的調(diào)控[Phys. Rev. Lett.117, 243901 (2016); Nature Photonics 12, 554-559 (2018)]。在強(qiáng)激光與固體靶作用方面，他們與中國科學(xué)院物理研究所李玉同研究員團(tuán)隊合作，提出并實驗演示了激光激發(fā)的電子等離子體波模式轉(zhuǎn)換[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]和高能電子相干渡越輻射[Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)]兩類機(jī)制，創(chuàng)造了太赫茲脈沖輸出能量的世界紀(jì)錄[PNAS 116, 3994 (2019)]。

強(qiáng)激光與金屬薄膜靶相互作用，通過其產(chǎn)生的超熱電子在靶后產(chǎn)生太赫茲輻射涉及的三種物理過程(a)及其歸一化的相對頻譜(b)。

最近，激光等離子體教育部重點實驗室張杰院士、盛政明教授又與中科院物理研究所廖國前特聘研究員、李玉同研究員等人合作，對相對論強(qiáng)激光與薄膜靶相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射的機(jī)制和實現(xiàn)手段進(jìn)行了更深入的研究。他們建立了三個相關(guān)的物理模型和相應(yīng)的解析理論（上圖），即激光加速的高能電子穿越薄膜靶-真空界面時激發(fā)相干渡越輻射（TR）、超熱電子與靶面離子之間形成的時變鞘層場產(chǎn)生的鞘層輻射（SR）、低能量電子在鞘層場作用下減速-加速運動產(chǎn)生的類韌致輻射（BR）。三個模型產(chǎn)生的輻射具有不同的頻譜，這不僅加深了對太赫茲產(chǎn)生機(jī)制的理解，而且為調(diào)控太赫茲頻譜提供了新思路。通過與英國盧瑟福實驗室David Neely教授等人合作開展了聯(lián)合實驗，驗證了上述理論模型。在優(yōu)化的激光和靶條件下，太赫茲峰值功率可達(dá)1太瓦（10^12W）以上，比當(dāng)前其它太赫茲脈沖源的最大功率高出百余倍，而且實現(xiàn)了對輸出頻譜的調(diào)諧。這種超強(qiáng)太赫茲輻射源有望將太赫茲波與物質(zhì)相互作用推進(jìn)到極端非線性范疇，為太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供新的手段。

相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Phys. Rev. X 10, 031062（2020）上。本項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031062