太赫兹(THz)波在频谱上位于远红外和微波之间，由于其独特的“指纹谱性”和光子能量低等特点，在材料科学、生物医疗和国防安全等领域具有广泛的应用。如何获得高功率、大能量（百微焦量级）的太赫兹光源是目前太赫兹科学发展的关键问题之一。利用传统加速器产生的相对论电子束，通过自由电子激光等机制，可以产生>100微焦的太赫兹辐射脉冲。和基于加速器的光源相比，光学方法可以获得小型化的太赫兹源。传统的做法是利用飞秒激光泵浦非线性光学晶体产生太赫兹辐射，但受晶体损伤等瓶颈问题的制约，泵浦激光的强度和能量不能很高。而等离子体完全没有损伤的问题，可用以产生强太赫兹辐射。
　　近年来人们对强激光-气体（尤其是空气）等离子体相互作用产生太赫兹辐射进行了深入研究，但是受等离子体散焦的影响，空气中激光聚焦的光强一般低于1015-16W/cm2。相比之下，在真空中，固体密度等离子体原则上可与任意光强的泵浦激光相互作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室L05组的李玉同研究员和上海交通大学张杰院士/盛政明教授等人组成的研究团队，对强激光-固体靶作用驱动的太赫兹辐射源进行了坚持不懈的探索，不仅获得了系列结果，而且对之前尚无定论的太赫兹产生机制问题逐渐形成了自己的认识体系。在前期的研究中，该团队利用自主研发的极光二号飞秒激光装置，在固体靶前得到了能量达50 μJ/sr的太赫兹辐射[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012)]；实验发现小预等离子体尺度有利于太赫兹辐射[Phys. Rev. E 84, 036405 (2011)]； 基于实验结果提出了靶面自组织瞬态电流辐射模型[Opt. Express 22, 11797 (2014)]。
　　在之前工作基础上，该团队最近将研究参数拓展到一个新的范围。通过国际合作，利用美国LLNL国家实验室的相对论皮秒激光与大尺度等离子体相互作用，他们发现在激光反射方向，太赫兹辐射随着激光能量增加呈现出非线性增长的特点，并存在一个最佳的预等离子体状态。实验得到了单发强度大于200 μJ/sr的太赫兹辐射。在粒子模拟的基础上，提出了受激拉曼散射和自调制不稳定性激发的等离子体波通过模式转换激发太赫兹波的物理模型，很好地解释了实验结果，同时进一步验证了盛政明、张杰等人之前提出的模式转换理论[Phys. Rev. Lett. 94, 095003 (2005)]。该工作揭示的这一机制不仅适用于固体靶前的大尺度等离子体，而且可用于气体或团簇靶。利用这个方法，有望实现台面化频谱可调的高重频的强太赫兹辐射源。此外这种太赫兹辐射也可以作为一种激光-等离子体相互作用的新型诊断手段。该研究结果发表在Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)上。
　　本项研究工作得到了国家自然科学基金项目、科技部973项目、教育部IFSA协同创新中心和中科院的支持。

图1.太赫兹能量随(a)泵浦激光能量和(b)等离子体密度标长的变化。

图2. (a)太赫兹辐射的物理模型；(b)粒子模拟得到的太赫兹辐射场时空演化。

文章链接：
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.255001

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