通过太赫兹发射了解激光加速电子辐射

太赫兹(THz)间隙是位于电磁频谱的微波和红外区域之间的一个频段，传统技术在产生和检测辐射方面效率低下，通过开发新的太赫兹源和探测器，正在迅速缩小。基于激光的太赫兹源因其能够产生相干的单周期到多周期宽带(或窄带)辐射而备受关注。

这些光源还可以提供与驱动激光器的自然同步，从而实现超快的时间分辨光谱和成像。最近，高功率飞秒激光器已被用于产生强烈的太赫兹辐射，以及探索新的太赫兹驱动现象，如分子排列、谐波产生和电子加速。

在发表在《光：科学与应用》上的一篇新论文中，由马里兰大学帕克分校的Ki-YongKim教授领导的一组科学家，也隶属于光州科学技术研究所和韩国基础科学研究所，开发了激光脉冲高功率太赫兹发射的新模型。

在许多基于激光的光源中，基于激光等离子体的光源非常适合产生高功率太赫兹。等离子体已经电离，因此可以承受高电磁场，当高功率激光脉冲聚焦到小体积以产生能量可扩展的太赫兹时，几乎或根本不担心材料损坏。自从Hamster等人的开创性工作以来，激光产生的气态和固体密度等离子体的相干太赫兹已经被广泛研究。

在气体中，单色或双色激光产生的等离子体可以通过超快激光驱动的电流产生相干宽带太赫兹辐射。在双色激光混合中，通过使用中红外激光驱动器，激光到太赫兹的转换效率提高了百分比水平。从基于液体和固体的激光照射的高密度等离子体目标中也观察到高能太赫兹辐射。最近，从高能(~60J)皮秒激光脉冲照射的金属箔中观察到数十mJ的太赫兹能量。然而，与气体目标不同，高密度目标通常会造成目标碎片和目标重新加载问题，这使得它们不利于在连续或高重复率(>kHz)操作中使用。

激光尾流场加速(LWFA)是一种基于气态等离子体的紧凑型电子加速器方案，是宽带电磁辐射的另一个来源。在LWFA中产生的相对论性电子束在通过相干跃迁辐射(CTR)离开等离子体-真空边界时可以发射太赫兹辐射。当束长度大小与发射的太赫兹辐射的波长进行比较或小于时，就会发生这种情况，并且单个电子产生的太赫兹场在辐射方向上相干地相干地加起来。

研究小组观察到100-TW激光驱动的LWFA的能量转换效率为0.15%的多mJ太赫兹发射。发射的太赫兹辐射是径向偏振和宽带的，可能超过10太赫兹。电子束特性(能量和电荷)与太赫兹输出能量之间的相关性表明，高能(>150MeV)电子不一定会产生高功率太赫兹辐射。相反，低能量但高电荷的电子可以产生更强的太赫兹辐射。

为了解释这一有趣的结果以及多mJTHz的产生，研究小组提出了一个相干辐射模型，其中由激光思考动势加速的电子和随后的等离子体尾流场沿激光传播方向连续辐射宽带发射，最终产生相位匹配的锥形太赫兹辐射在远处的田野。然而，该模型需要通过更多的后续实验和分析/数值研究来验证或检查，以便充分了解LWFA中太赫兹的产生，并为未来的高功率太赫兹应用优化来源。