超强飞秒激光与固体靶相互作用的靶表面电子诱导的太赫兹渡越辐射研究

Single-cycle, coherent terahertz (THz) transients has very profound value of potential application in materials and bio-medical, etc. Recently fast electrons from the fs laser-solid interactions are used to be incident into thin film targets and generate coherent intense terahertz radiation through transition radiation mechanism. However, the state-of-art fast electron beam divergence is large, and the beam mono-energetic property and orientation need to be improved, so the coherence of the emitted terahertz radiation is limited as well. In order to solve the problem, we use fs laser-driven target surface electron (TSE) bunch as the electron injector. By tuning the laser energy, laser prepulse intensity ratio and the delay time, along with the foil target parameters, TSE beam with large total charge, low divergence and mono-energetic property will be obtained in this project. Based on the high-quality mono-energetic electron beam, we will achieve the single-cycle, broadband, coherent intense terahertz radiation. With the combination of the TSE beam and the traditional transition radiation method, the generated intense terahertz radiation is promising to be applied in terahertz nonlinear spectroscopy and open a new sight of view for the application of the current materials.

单周期的相干太赫兹源在材料研究、生物医学等方面有着非常重要的潜在应用价值。利用飞秒激光和固体靶相互作用产生的快电子束入射到金属复合薄膜上，通过渡越辐射机制有望产生相干强场太赫兹辐射。然而，已有的研究中快电子束发散角较大，单能性和方向性都有待提高，因而其产生的太赫兹辐射相干性较弱。为了解决上述问题，我们将利用5TW飞秒激光驱动靶表面电子束（TSE），通过优化激光强度、激光预脉冲强度比和时间延迟、靶参数等，得到极小发散角、高电量的单能电子束。基于此高质量电子束，获得单周期、宽频的相干强场太赫兹辐射。本项目利用靶表面电子束与传统的太赫兹渡越辐射相结合的方法，产生的太赫兹源可用于太赫兹非线性光谱研究，以及开拓现有材料的新应用。

本项目以超强飞秒激光驱动的强场太赫兹渡越辐射作为研究对象，利用靶表面电子束穿过金属复合薄膜发生的渡越辐射，进行太赫兹的产生、优化以及应用等研究。在三年的执行期内，我们在亚皮秒的超强激光等离子体系统中，成功输出了10MeV量级的单能靶表面电子束，其电子束斑质量在电子能量、总电量以及单能性等方面有了显著的提升，为太赫兹渡越辐射所需的电子束的产生提供条件。通过优化预脉冲与主脉冲的对比度，薄膜厚度，薄膜与太赫兹透镜的相对位置，及探测器的准直等因素，最终实现了大于2微焦的太赫兹波能量输出。为了对飞秒激光驱动的太赫兹渡越辐射的内部产生机制进行探索，我们利用二维全相对论particle-in-cell（PIC）模拟程序，对激光与近临界密度等离子体的过程进行了数值模拟，在输出太赫兹渡越辐射能量极大值时，我们看到了有沿靶面运动的电子束分布。本项目利用靶表面电子束与传统的太赫兹渡越辐射相结合的方法，产生的太赫兹源可用于太赫兹非线性光谱研究，以及开拓现有材料的新应用。