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、在非導電材料中的穿透性，以及譜“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前景。長期以來，制約太赫茲科學技術發展的關鍵瓶頸是，如何實現頻譜、時空結構、偏振特性可調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了對輻射方向、頻譜、偏振態的調控[Phys. Rev. Lett.117, 243901 (2016); Nature Photonics 12, 554-559 (2018)]。在強激光與固體靶作用方面，他們與中國科學院物理研究所李玉同研究員團隊合作，提出并實驗演示了激光激發的電子等離子體波模式轉換[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)]和高能電子相干渡越輻射[Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)]兩類機制，創造了太赫茲脈沖輸出能量的世界紀錄[PNAS 116, 3994 (2019)]。

強激光與金屬薄膜靶相互作用，通過其產生的超熱電子在靶后產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，對相對論強激光與薄膜靶相互作用產生太赫茲輻射的機制和實現手段進行了更深入的研究。他們建立了三個相關的物理模型和相應的解析理論（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-加速運動產生的類韌致輻射（BR）。三個模型產生的輻射具有不同的頻譜，這不僅加深了對太赫茲產生機制的理解，而且為調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合實驗，驗證了上述理論模型。在優化的激光和靶條件下，太赫茲峰值功率可達1太瓦（10^12W）以上，比當前其它太赫茲脈沖源的最大功率高出百余倍，而且實現了對輸出頻譜的調諧。這種超強太赫茲輻射源有望將太赫茲波與物質相互作用推進到極端非線性范疇，為太赫茲科學技術發展提供新的手段。

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

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