相对论强激光驱动超热电子束飞秒动力学的实时测量

在超短超强激光与物质相互作用中，会产生短脉宽、高能量的电子，通常称为“超热电子”。超热电子的产生和输运是激光高能量密度物理的重要基本问题之一。超热电子可以激发很宽波段(微波-伽马射线)的超快电磁辐射，也可以驱动离子加速，还可以快速加热物质，作为惯性约束核聚变“快点火”过程中的能量载体。各种次级辐射和粒子源的性质、等离子体加热和能量沉积过程与超热电子的时间、空间和能量特征及演化动力学息息相关。经过多年研究，人们对超热电子的能量和空间特征已经比较清楚，但由于缺乏合适的高时间分辨测量手段，超热电子束时间结构和动力学过程的诊断仍然面临挑战。

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图1.利用太赫兹相干渡越辐射诊断超热电子束脉宽。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L05组廖国前特聘研究员、李玉同研究员和张杰院士等人组成的研究团队，对超强激光与固体靶相互作用产生高功率太赫兹辐射的新途径进行了多年探索，提出了基于超热电子束相干渡越辐射的太赫兹产生模型，发展了基于非共线自相关的单发超宽带太赫兹探测技术。在此基础上，近期该团队提出了太赫兹辐射诊断超热电子束的新方法，利用自主研发的高时间分辨单发太赫兹自相关仪，实现了超强激光与薄膜靶相互作用过程中超热电子束时域结构及动力学的原位、实时测量。理论上，构建了太赫兹辐射性质与超热电子束时空特征的映射关系，给出了太赫兹脉宽与电子束脉宽、束斑尺寸、发射角等参数的定量联系。实验上，一方面，准确表征了激光-固体靶作用中几十飞秒量级的超热电子束脉宽，发现超强激光加速的电子束在产生时具有与驱动激光类似的脉宽，随后在传输过程中由于速度色散和角发散导致纵向时间宽度和横向空间尺寸逐渐展宽；另一方面，首次直接观测到了由于激光脉冲二次加速和靶面鞘层场导致的超热电子回流动力学，发现当高对比激光与薄膜靶相互作用后，电子束在靶前后表面鞘层场之间来回反弹，持续时间可达百飞秒量级。这些结果演示了一种单发、无损、原位、高时间分辨率的超热电子表征手段，对于理解和优化基于超热电子的超快辐射和粒子源时空特性并发展相关应用具有重要意义。

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图2.根据多周期太赫兹脉冲诊断超热电子回流动力学。

相关结果近期以"Femtosecond dynamics of fast electron pulses in relativistic laser-foil interactions"为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。本项研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院项目的支持。

相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.155001