太赫茲(THz)輻射位于中紅外和微波輻射之間，由于其單光子能量低和譜“指紋性”等獨(dú)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。然而大能量太赫茲輻射源的缺乏是限制太赫茲科學(xué)發(fā)展的最關(guān)鍵瓶頸問題之一。等離子體能夠承受任意光強(qiáng)的泵浦，可以克服光整流等傳統(tǒng)太赫茲產(chǎn)生方法中光學(xué)元件的損傷問題。目前國際上基于激光-等離子體相互作用的太赫茲輻射研究主要集中在雙色激光泵浦空氣光絲方案，由于等離子體對激光的散焦效應(yīng)，光絲內(nèi)光強(qiáng)被鉗制在1015-16W/cm2以下。
超強(qiáng)激光的峰值功率可達(dá)百太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)水平，聚焦光強(qiáng)超過1018W/cm2，進(jìn)入了相對論范疇(電子可被光場加速至接近光速)。為了充分發(fā)揮相對論激光的優(yōu)勢，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組的廖國前、李玉同和上海交通大學(xué)張杰、盛政明等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，對相對論激光-固體靶相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射的新途徑進(jìn)行了十余年的探索，取得了一系列開創(chuàng)性結(jié)果。在前期工作中，該團(tuán)隊(duì)研究了靶前的太赫茲輻射，提出了基于小尺度預(yù)等離子體的靶面超熱電子瞬態(tài)電流輻射機(jī)制【Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)】以及基于大尺度預(yù)等離子體的電子等離子體波模式轉(zhuǎn)換機(jī)制【Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)】，并成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。
最近，該團(tuán)隊(duì)將研究范圍拓展到靶后太赫茲輻射。在相對論飛秒激光與固體薄膜靶作用中，在靶后產(chǎn)生了單發(fā)能量近400微焦的太赫茲脈沖，這已與大型加速器產(chǎn)生的太赫茲脈沖能量相當(dāng)。太赫茲輻射產(chǎn)生的物理圖像為：相對論激光與等離子體相互作用產(chǎn)生了大量前向超熱電子，這些電子從靶后表面逃逸到真空中時(shí)，會(huì)激發(fā)渡越輻射。由于電子束的脈沖時(shí)長為幾十飛秒到皮秒量級，所以相干輻射波長在太赫茲波段(圖1)。實(shí)驗(yàn)研究了小尺寸金屬靶、金屬-聚乙烯(PE)復(fù)合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越輻射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全驗(yàn)證了這一產(chǎn)生機(jī)制(圖2)。實(shí)驗(yàn)中還同時(shí)觀測了靶后鞘層場加速產(chǎn)生的離子束特性，發(fā)現(xiàn)離子束與太赫茲輻射呈現(xiàn)非同步的變化規(guī)律，這表明在該實(shí)驗(yàn)條件下，太赫茲輻射與離子加速的產(chǎn)生機(jī)制并不一樣，這與目前國際主流的認(rèn)識(shí)不同。該團(tuán)隊(duì)提出的產(chǎn)生機(jī)制和實(shí)驗(yàn)演示不僅為實(shí)現(xiàn)小型化、大能量、寬譜太赫茲輻射源開辟了新途徑，而且有望發(fā)展成為一種在線診斷激光等離子體相互作用的新方法。
相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)上，并被編輯選為Editors’ Suggestion。
該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號：11520101003）、科技部“973”項(xiàng)目、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心和中國科學(xué)院的支持。
圖1. 激光與固體靶相互作用在靶后產(chǎn)生太赫茲輻射的物理圖像
圖2. 靶后太赫茲輻射隨靶尺寸的變化，不同的曲線表示不同參數(shù)下相干渡越輻射的理論預(yù)期。隨著靶尺寸減小至一定值后，太赫茲輻射隨之減弱。
