在超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用中，會(huì)產(chǎn)生短脈寬、高能量的電子，通常稱為“超熱電子”。超熱電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)是激光高能量密度物理的重要基本問題之一。超熱電子可以激發(fā)很寬波段(微波-伽馬射線)的超快電磁輻射，也可以驅(qū)動(dòng)離子加速，還可以快速加熱物質(zhì)，作為慣性約束核聚變“快點(diǎn)火”過程中的能量載體。各種次級輻射和粒子源的性質(zhì)、等離子體加熱和能量沉積過程與超熱電子的時(shí)間、空間和能量特征及演化動(dòng)力學(xué)息息相關(guān)。經(jīng)過多年研究，人們對超熱電子的能量和空間特征已經(jīng)比較清楚，但由于缺乏合適的高時(shí)間分辨測量手段，超熱電子束時(shí)間結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程的診斷仍然面臨挑戰(zhàn)。

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圖1.利用太赫茲相干渡越輻射診斷超熱電子束脈寬。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L05組廖國前特聘研究員、李玉同研究員和張杰院士等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，對超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生高功率太赫茲輻射的新途徑進(jìn)行了多年探索，提出了基于超熱電子束相干渡越輻射的太赫茲產(chǎn)生模型，發(fā)展了基于非共線自相關(guān)的單發(fā)超寬帶太赫茲探測技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，近期該團(tuán)隊(duì)提出了太赫茲輻射診斷超熱電子束的新方法，利用自主研發(fā)的高時(shí)間分辨單發(fā)太赫茲自相關(guān)儀，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)激光與薄膜靶相互作用過程中超熱電子束時(shí)域結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)的原位、實(shí)時(shí)測量。理論上，構(gòu)建了太赫茲輻射性質(zhì)與超熱電子束時(shí)空特征的映射關(guān)系，給出了太赫茲脈寬與電子束脈寬、束斑尺寸、發(fā)射角等參數(shù)的定量聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)上，一方面，準(zhǔn)確表征了激光-固體靶作用中幾十飛秒量級的超熱電子束脈寬，發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)激光加速的電子束在產(chǎn)生時(shí)具有與驅(qū)動(dòng)激光類似的脈寬，隨后在傳輸過程中由于速度色散和角發(fā)散導(dǎo)致縱向時(shí)間寬度和橫向空間尺寸逐漸展寬；另一方面，首次直接觀測到了由于激光脈沖二次加速和靶面鞘層場導(dǎo)致的超熱電子回流動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高對比激光與薄膜靶相互作用后，電子束在靶前后表面鞘層場之間來回反彈，持續(xù)時(shí)間可達(dá)百飛秒量級。這些結(jié)果演示了一種單發(fā)、無損、原位、高時(shí)間分辨率的超熱電子表征手段，對于理解和優(yōu)化基于超熱電子的超快輻射和粒子源時(shí)空特性并發(fā)展相關(guān)應(yīng)用具有重要意義。

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圖2.根據(jù)多周期太赫茲脈沖診斷超熱電子回流動(dòng)力學(xué)。

相關(guān)結(jié)果近期以"Femtosecond dynamics of fast electron pulses in relativistic laser-foil interactions"為題發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)。本項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.155001