在超短超強雷射與物質相互作用中，會產生短脈寬、高能量的電子，通常被稱為「超熱電子」。超熱電子的產生和傳輸是雷射高能量密度物理的重要基本問題之一。超熱電子可以激發很寬波段的超快電磁輻射，也可以驅動離子加速，快速加熱物質，作為慣性約束核融合「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、空間和能量特徵及演化動力學息息相關。經過多年研究，人們對超熱電子的能量和空間特徵已經比較清楚，但由於缺乏合適的高時間分辨測量手段，對超熱電子束時間結構和動力學過程的診斷仍然面臨挑戰。

中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室特聘研究員廖國前、研究員李玉同和中國科學院院士張傑等，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，提出了基於超熱電子束相干渡越輻射的太赫茲產生模型，發展了基於非共線自相關的單發超寬頻太赫茲探測技術。在上述成果基礎上，近日，研究人員提出了太赫茲輻射診斷超熱電子束的新方法，利用自主研發的高時間分辨單發太赫茲自相關儀，實現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、即時測量。

該研究在理論上建構了太赫茲輻射性質與超熱電子束時空特徵的映射關係，給出了太赫茲脈寬與電子束脈寬、束斑尺寸、發射角等參數的定量聯繫。該研究準確地表徵了雷射－固體靶作用中幾十飛秒量級的超熱電子束脈寬，發現超強雷射加速的電子束在產生時具有與驅動雷射類似的脈寬，在傳輸過程中由於速度分散和角發散導致縱向時間寬度和橫向空間尺寸逐漸展寬；直接觀測到了由於雷射脈衝二次加速和靶面鞘層場導致的超熱電子回流動力學，發現當高對比雷射與薄膜靶相互作用後，電子束在靶前後表面鞘層場之間來回反彈，持續時間可達百飛秒量級。這些結果展示了單發、無損、原位、高時間分辨率的超熱電子表徵手段，有助於理解和優化基於超熱電子的超快輻射和粒子源時空特性並發展相關應用。

相關成果以Femtosecond dynamics of fast electron pulses in relativistic laser－foil interactions為題，發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院的支持。


利用太赫茲相干渡越輻射診斷超熱電子束脈寬


利用太赫茲相干渡越輻射診斷超熱電子束脈寬