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”等獨特優勢，在材料科學、生物醫療和國防安全等領域具有重要應用。然而大能量太赫茲輻射源的缺乏是限制太赫茲科學發展的最關鍵瓶頸問題之一。等離子體能夠承受任意光強的泵浦，可以克服光整流等傳統太赫茲產生方法中光學元件的損傷問題。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，光絲內光強被鉗制在10^15-16W/cm²以下。

超強激光的峰值功率可達百太瓦(10¹²W)甚至拍瓦(10¹⁵W)水平，聚焦光強超過10¹⁸W/cm²，進入了相對論范疇(電子可被光場加速至接近光速)。為了充分發揮相對論激光的優勢，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室L05組的廖國前、李玉同和上海交通大學張杰、盛政明等人組成的研究團隊，對相對論激光-固體靶相互作用產生太赫茲輻射的新途徑進行了十余年的探索，取得了一系列開創性結果。在前期工作中，該團隊研究了靶前的太赫茲輻射，提出了基于小尺度預等離子體的靶面超熱電子瞬態電流輻射機制【Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)】以及基于大尺度預等離子體的電子等離子體波模式轉換機制【Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)】，并成功進行了實驗演示。

最近，該團隊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，在靶后產生了單發能量近400微焦的太赫茲脈沖，這已與大型加速器產生的太赫茲脈沖能量相當。太赫茲輻射產生的物理圖像為：相對論激光與等離子體相互作用產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，會激發渡越輻射。由于電子束的脈沖時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)。實驗研究了小尺寸金屬靶、金屬-聚乙烯(PE)復合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越輻射，實驗結果完全驗證了這一產生機制(圖2)。實驗中還同時觀測了靶后鞘層場加速產生的離子束特性，發現離子束與太赫茲輻射呈現非同步的變化規律，這表明在該實驗條件下，太赫茲輻射與離子加速的產生機制并不一樣，這與目前國際主流的認識不同。該團隊提出的產生機制和實驗演示不僅為實現小型化、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。

相關研究結果近期發表在Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)上，并被編輯選為Editors’Suggestion。

該項研究工作得到了國家自然科學基金項目（項目批準號：11520101003）、科技部“973”項目、教育部IFSA協同創新中心和中國科學院的支持。

圖1. 激光與固體靶相互作用在靶后產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下相干渡越輻射的理論預期。隨著靶尺寸減小至一定值后，太赫茲輻射隨之減弱。