非均匀等离子体中激光尾场产生的毫焦量级太赫兹辐射

01 导读

近日，上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室张杰院士与盛政明教授研究团队报道了在激光等离子体强场太赫兹辐射研究方面的最新进展。利用能量在焦耳量级的飞秒激光与气体靶作用产生的非均匀等离子体中，通过激发大振幅激光尾场在背向上获得了毫焦量级的太赫兹辐射输出。

该研究成果近期以“Millijoule Terahertz Radiation from Laser Wakefields in Non-Uniform Plasmas”为题，于2024年4月16日在Physical Review Letters期刊在线发表，并被选为当期编辑推荐(Editors’ Suggestion）。

02 研究背景

强场太赫兹辐射在材料、生物、太赫兹成像等方面有着广泛的应用，而激光与等离子体相互作用为太赫兹辐射强度的提升和辐射特性的操控提供了重要手段。上海交通大学强场太赫兹辐射研究团队陈燕萍等人基于此开展了一系列研究工作。在强太赫兹源的调控方面，在实验上利用双色激光脉冲实现了对其载波包络相位、偏振、频谱、波前等参数的有效调控[Phys. Rev. Lett. 117, 243901 (2016); Nature Photonics 12, 554 (2018); Ultrafast Sci. 2022, 9870325 (2022)]；在提高太赫兹辐射强度方面，基于相对论强激光脉冲与等离子体通道作用，提出了将激光离轴入射到等离子体通道产生双模可切换的强场太赫兹辐射的理论方案[Laser Photonics Rev. 17， 2200627 (2023) ]。

此外，多年前盛政明和张杰及合作者曾提出，利用相对论强激光在非均匀等离子体中激发尾场（一种电子等离子体波），通过线性模式转换（Linear mode conversion）产生强场太赫兹辐射的机制[Phys. Rev. Lett. 94, 095003 (2005)]。由于激光等离子体尾波具有GV/cm量级的加速梯度，它常被用来建造新型紧凑的电子加速器。模式转换机制可以把振荡频率在太赫兹频段的静电场转换成太赫兹辐射，并将激光等离子体太赫兹辐射的转换效率提升至10-3量级，电场强度达到几十MV/cm，且具有良好的频率可调谐性。然而这一辐射通常出现在激光入射的背向，迄今缺乏直接的实验验证。

图1 激光等离子体尾场产生强太赫兹辐射示意图。

03 研究创新点

基于上海交通大学200 TW激光平台，首次针对上述通过模式转换机制产生太赫兹辐射开展实验研究。该团队利用数焦耳能量的飞秒激光脉冲与气体靶作用，在激光背向上探测到太赫兹辐射，该辐射的能量可达毫焦量级，能量转换效率接近10-3。通过偏振分辨的能量测量发现，该辐射为径向偏振辐射。通过频率分辨的太赫兹能量测量发现，太赫兹辐射的频谱呈现双峰分布，即在等离子体电子振荡的基频和倍频位置。其中，低频辐射能量随激光能量提升而线性增长，而高频辐射则在1.26 J激光能量以上出现，并伴随有激光尾场加速产生的前向电子束。

图2 实验结果。(a) 背向太赫兹辐射偏振测量结果；(b) 2.07 J激光能量下背向太赫兹辐射的频谱；(c) 太赫兹辐射能量及转换效率随激光能量的变化；(d)加速电子电量与平均电子能量随激光能量的变化。

通过理论分析和数值模拟发现，当激光注入气体靶前沿的等离子体密度上升沿时，激光激发的等离子体尾场的波矢会经历从大于零、等于零至小于零的演化过程。在波矢反向时刻，等离子体尾场几乎消失，随即通过模式转换产生电磁辐射。当激光强度在弱相对论区域时，太赫兹辐射频率在等离子体频率附近；当激光强度达到相对论强度时，非线性尾场还能够产生等离子体频率倍频、三倍频的谐波辐射。与此同时，非线性尾场能够产生电子加速，并在前向输出。这解释了实验中太赫兹辐射频率双峰的来源，以及不同频率组分随泵浦强度变化的原因。

图3 二维PIC模拟结果。(a)磁场、(b)电子密度和(c)电场在t=400T0时刻的图像。(d) 轴上纵向电场随时间的演化情况，等离子体尾波沿时空曲线x=ct/3转换为太赫兹辐射。(e) 在等离子体左侧边界外收集的太赫兹波形。(f) 不同时间区间内太赫兹辐射对应的傅立叶变换频谱。蓝、橙和绿色分别对应(e)中A、B和C三个区间。虚线标出了C区间对应的谐波位置。(g) 不同泵浦光强度下的辐射频谱。

04 总结与展望

该工作在实验上证实了强激光产生的等离子体尾场通过模式转换产生强太赫兹辐射的物理机制，并研究了此辐射机制在相对论强度下的辐射特性。这一太赫兹辐射的频率与等离子体尾波结构密切相关，在弱相对论强度下辐射主要在等离子体频率附近，在相对论强度下还出现等离子体频率的谐波辐射。