在超短超強激光與物質相互作用中，會產生短脈寬、高能量的電子，通常稱為“超熱電子”。超熱電子的產生和輸運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，也可以驅動離子加速，還可以快速加熱物質，作為慣性約束核聚變“快點火”過程中的能量載體。各種次級輻射和粒子源的性質、等離子體加熱和能量沉積過程與超熱電子的時間、空間和能量特征及演化動力學息息相關。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間分辨測量手段，超熱電子束時間結構和動力學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實驗室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隊，對超強激光與固體靶相互作用產生高功率太赫茲輻射的新途徑進行了多年探索，提出了基于超熱電子束相干渡越輻射的太赫茲產生模型，發(fā)展了基于非共線自相關的單發(fā)超寬帶太赫茲探測技術。在此基礎上，近期該團隊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)的高時間分辨單發(fā)太赫茲自相關儀，實現(xiàn)了超強激光與薄膜靶相互作用過程中超熱電子束時域結構及動力學的原位、實時測量。理論上，構建了太赫茲輻射性質與超熱電子束時空特征的映射關系，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。實驗上，一方面，準確表征了激光-固體靶作用中幾十飛秒量級的超熱電子束脈寬，發(fā)現(xiàn)超強激光加速的電子束在產生時具有與驅動激光類似的脈寬，隨后在傳輸過程中由于速度色散和角發(fā)散導致縱向時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致的超熱電子回流動力學，發(fā)現(xiàn)當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)時間可達百飛秒量級。這些結果演示了一種單發(fā)、無損、原位、高時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空特性并發(fā)展相關應用具有重要意義。

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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力學。

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

相關鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.155001