太瓦級(jí)寬譜可調(diào)諧太赫茲輻射源 | 進(jìn)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(dú)特性質(zhì)，在材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國(guó)防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。許多前沿的太赫茲應(yīng)用，例如選擇性激發(fā)和調(diào)控物質(zhì)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(diào)諧的。近些年陸續(xù)出現(xiàn)了一些基于加速器、晶體或等離子體的強(qiáng)太赫茲產(chǎn)生方法，雖然太赫茲峰值功率可達(dá)吉瓦(GW)量級(jí)，但是很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜的大范圍調(diào)諧，尤其在5~15 THz頻段內(nèi)。如何獲得更高功率且頻譜可大范圍調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲源仍然是太赫茲領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)之一。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L05組廖國(guó)前特聘研究員和李玉同研究員等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)相對(duì)論強(qiáng)激光與固體密度等離子體相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射的新途徑進(jìn)行了多年探索，在物理機(jī)制和性能指標(biāo)方面取得了一系列重要進(jìn)展。最近，該團(tuán)隊(duì)利用高對(duì)比度超強(qiáng)飛秒激光與金屬薄膜相互作用，通過(guò)調(diào)控激光加速電子束的時(shí)空演化動(dòng)力學(xué)，不僅將太赫茲輻射峰值功率提升到太瓦(TW)量級(jí)，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了太赫茲中心頻率在3~20 THz之間的大范圍調(diào)諧。

團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用自主研發(fā)的非共線自相關(guān)技術(shù)單發(fā)診斷太赫茲頻譜，采用交叉偏振波技術(shù)提高激光對(duì)比度，允許使用微米級(jí)厚度的薄膜靶。在0.5 PW激光驅(qū)動(dòng)條件下，通過(guò)優(yōu)化靶厚度，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的太赫茲脈沖能量最高可達(dá)172毫焦，對(duì)應(yīng)激光-太赫茲能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.15%[目前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的相對(duì)論激光等離子體太赫茲源的最高產(chǎn)生效率]。當(dāng)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(diào)諧至3 THz。結(jié)合電子束診斷，構(gòu)建了相關(guān)的理論模型，解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。太赫茲頻譜的調(diào)諧主要源于激光加速的電子束在不同靶厚度條件下呈現(xiàn)了不同的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)，尤其在薄膜靶情形下，電子束受靶面自生鞘層場(chǎng)作用在靶前后表面之間做往返加減速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生多周期窄帶太赫茲輻射。實(shí)驗(yàn)演示太赫茲源的峰值功率最高約2 TW，在3~20 THz范圍內(nèi)調(diào)諧的同時(shí)，保持功率譜密度超過(guò)0.2 TW/THz，比當(dāng)前其它強(qiáng)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(yuǎn)離平衡態(tài)的選擇性物態(tài)調(diào)控提供獨(dú)特的泵浦手段，甚至將太赫茲波與物質(zhì)相互作用推進(jìn)到以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的相對(duì)論光學(xué)范疇。

圖1. 超強(qiáng)激光與固體靶作用驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧太赫茲輻射的原理示意圖

相關(guān)結(jié)果近期以” Terawatt-level widely-tunable terahertz pulses from femtosecond laser-irradiated metallic foils”為題發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊《Optica》。相關(guān)實(shí)驗(yàn)是在綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置超快x射線動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)站的拍瓦激光裝置上開(kāi)展完成的。本項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的支持。

編輯：辣條