封面展示了雙色激光聚焦形成的等離子體光絲，光絲內(nèi)正負(fù)帶電粒子的微觀運(yùn)動(dòng)軌跡被藝術(shù)化為星云，它們既在雙色激光場(chǎng)與等離子體環(huán)境中各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)又彼此相互影響。這個(gè)高度非線性過(guò)程激發(fā)了與帶電粒子運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的太赫茲輻射，也為揭示其機(jī)理、精準(zhǔn)調(diào)控其參數(shù)提供了有效途徑與技術(shù)手段。

1、背景介紹

太赫茲輻射在電磁波譜中介于傳統(tǒng)光學(xué)的中紅外波段與傳統(tǒng)電子學(xué)的微波波段之間，具有單光子能量低、穿透性好的特點(diǎn)，且覆蓋了化合物和生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)在內(nèi)的許多物理過(guò)程的特征頻率，因而在材料科學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。太赫茲科學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的高速發(fā)展，多種具有不同特性的太赫茲輻射源陸續(xù)發(fā)展起來(lái)，包括光導(dǎo)天線、真空電子學(xué)器件、量子級(jí)聯(lián)激光器、光整流晶體等，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了諸多可能性。然而，隨著太赫茲應(yīng)用技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的不斷推進(jìn)，對(duì)太赫茲輻射的強(qiáng)度、偏振態(tài)等物理參量的可操控性方面提出了更高的要求。

在這一背景下，雙色激光場(chǎng)激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲輻射的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)利用飛秒激光在空氣中形成等離子體光絲，通過(guò)精確調(diào)控兩束不同頻率激光（通常為基頻光及其二次諧波）的參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損傷閾值限制、頻譜范圍寬、可靈活操控的太赫茲輻射。相比傳統(tǒng)方法，這種基于等離子體的太赫茲源具有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：首先，避免了固體介質(zhì)損傷的困擾，可產(chǎn)生更高強(qiáng)度的太赫茲輻射；其次，輻射頻譜覆蓋范圍更廣，可達(dá)0.1~100 THz；最重要的是，通過(guò)靈活調(diào)控激光參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波強(qiáng)度、偏振、波形等多維度的精密控制。

2、理論機(jī)制

深入理解雙色激光場(chǎng)激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲輻射的物理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)太赫茲波精密操控的基礎(chǔ)。研究表明，這一過(guò)程主要包含三個(gè)關(guān)鍵物理環(huán)節(jié)：原子電離、等離子體偶極振蕩、輻射的生成和疊加，如圖1所示。

圖1 太赫茲輻射產(chǎn)生的關(guān)鍵物理過(guò)程：原子電離、等離子體偶極振蕩和輻射產(chǎn)生

在原子電離階段，雙色激光場(chǎng)通過(guò)多光子電離或隧穿電離使空氣分子電離，形成等離子體通道，即“光絲"結(jié)構(gòu)。在偶極振蕩階段，在雙色激光場(chǎng)作用后，原子電離產(chǎn)生的自由電子獲得定向運(yùn)動(dòng)，形成宏觀的電荷分離和瞬態(tài)偶極的形成。這些偶極在庫(kù)倫作用下以等離子體頻率振蕩。光絲結(jié)構(gòu)可以看成是一維線型排列的偶極陣列（線性偶極陣列模型）。在輻射產(chǎn)生階段，光絲中每個(gè)偶極振蕩都會(huì)產(chǎn)生輻射，最終的太赫茲輻射是光絲內(nèi)所有偶極振蕩輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)的疊加。值得注意的是，光絲不同位置的偶極對(duì)應(yīng)的振蕩幅度和振蕩方向都隨雙色激光場(chǎng)的參數(shù)而變化，進(jìn)而影響最終的太赫茲輻射場(chǎng)波形、分布和偏振態(tài)等。

3、應(yīng)用與調(diào)控技術(shù)

基于對(duì)物理機(jī)制的深入理解，研究人員發(fā)展了一系列有效的太赫茲輻射調(diào)控技術(shù)，主要包括強(qiáng)度調(diào)控、偏振控制、波形整形、頻譜調(diào)制和光場(chǎng)模式控制等方面。

在強(qiáng)度調(diào)控方面，通過(guò)優(yōu)化雙色激光場(chǎng)的參數(shù)可以獲得顯著的增強(qiáng)效果。實(shí)驗(yàn)表明，調(diào)整雙色場(chǎng)的相對(duì)相位可以使太赫茲產(chǎn)率呈現(xiàn)周期性變化，最大值較單色方案提升可達(dá)30倍。波長(zhǎng)選擇也展現(xiàn)出重要影響，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)從800 nm增加到1800 nm時(shí)，太赫茲能量提升30倍，這與等離子體電流與波長(zhǎng)平方成正比的理論預(yù)期一致。特別值得注意的是，雙色場(chǎng)偏振的選擇對(duì)效率影響顯著，同手性圓偏振雙色場(chǎng)（基頻光與倍頻光同向旋轉(zhuǎn)）的輻射效率可達(dá)線偏振雙色場(chǎng)的5倍。此外，通過(guò)對(duì)光絲的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的調(diào)整（包括橫向光場(chǎng)結(jié)構(gòu)或縱向多光絲結(jié)構(gòu)等），也能夠有效調(diào)控太赫茲輻射的強(qiáng)度。

偏振控制技術(shù)的突破也是近年來(lái)一項(xiàng)重要進(jìn)展。通過(guò)建立完整的理論框架，上海交通大學(xué)盛政明、陳燕萍教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲輻射偏振態(tài)的精密操控，如圖2所示，所設(shè)計(jì)的偏振雙色場(chǎng)生成模塊的特點(diǎn)是高度可控性，依次通過(guò)改變?cè)奈恢没蛐D(zhuǎn)角度，可獨(dú)立地控制雙色激光的偏振參數(shù)。此外線性偶極陣列模型計(jì)算顯示，通過(guò)對(duì)雙色場(chǎng)相對(duì)相位、基頻光手性、光絲長(zhǎng)度、倍頻光偏振橢率四個(gè)參數(shù)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲輻射偏振角度、手性、橢率和輻射強(qiáng)度四個(gè)參量的獨(dú)立調(diào)控。

圖2 雙色場(chǎng)產(chǎn)生太赫茲輻射的偏振控制實(shí)驗(yàn)。（a）復(fù)雜偏振雙色場(chǎng)控制太赫茲偏振實(shí)驗(yàn)搭建示意圖，包含用于產(chǎn)生復(fù)雜偏振態(tài)雙色激光場(chǎng)的元件模塊。子圖是利用金屬小孔控制有效輻射太赫茲波的等離子體源的尺度；（b）~（g）復(fù)雜偏振雙色場(chǎng)控制太赫茲偏振實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬

波形和頻譜調(diào)控技術(shù)的發(fā)展同樣令人矚目。2016年，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬證明了通過(guò)調(diào)整光絲長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙色激光激發(fā)光絲輻射的太赫茲波載波包絡(luò)相位的有效調(diào)控。其中，較短的等離子體光絲在雙色激光的相對(duì)相位變化時(shí)能夠保持輻射的太赫茲脈沖的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定；長(zhǎng)光絲情況下，改變雙色激光的相對(duì)相位可以對(duì)太赫茲脈沖的載波包絡(luò)相位進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧。另一方面，通過(guò)改變激光的啁啾和色散同樣可以控制太赫茲輻射的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正啁啾泵浦激光產(chǎn)生的太赫茲輻射具有負(fù)單極形狀的太赫茲波形，而負(fù)啁啾的引入則會(huì)驅(qū)動(dòng)具有正單極形狀的波形。基于對(duì)激光驅(qū)動(dòng)空氣電離過(guò)程的理解，團(tuán)隊(duì)在近期的工作中提出了太赫茲輻射頻率控制方案，例如通過(guò)離化電流模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)反手性的雙色場(chǎng)更有利于等離子體電離過(guò)程；通過(guò)控制雙色激光場(chǎng)的偏振態(tài)提高光絲內(nèi)等離子體密度，實(shí)現(xiàn)了更高頻率的輻射輸出。當(dāng)對(duì)空氣等離子體施加高壓時(shí)，太赫茲輻射頻率會(huì)隨著二次諧波強(qiáng)度的增強(qiáng)而發(fā)生藍(lán)移等等。

光場(chǎng)模式控制方面，團(tuán)隊(duì)在激光光路上引入一個(gè)錐透鏡，錐透鏡的獨(dú)特幾何形狀使得光絲的電離前沿以超光速傳播，該超光速光絲可產(chǎn)生具有高階貝塞爾環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射。此外還研究了雙色場(chǎng)拉蓋爾-高斯光束（Laguerre-Gaussian Beam）激發(fā)等離子體點(diǎn)源產(chǎn)生的太赫茲輻射，由于雙色場(chǎng)具有角向連續(xù)變化的相對(duì)相位，太赫茲輻射場(chǎng)強(qiáng)在角向上呈現(xiàn)周期性的變化，太赫茲輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)呈現(xiàn)“項(xiàng)鏈?zhǔn)绞?。

4、總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，人們對(duì)雙色激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)空氣等離子體太赫茲輻射的物理機(jī)理在微觀和宏觀層面都已經(jīng)獲得比較深入的認(rèn)識(shí)，其中基于光離化電流的模型，揭示了電子驅(qū)動(dòng)、光離化電流和輻射產(chǎn)生、遠(yuǎn)場(chǎng)疊加等物理過(guò)程，已經(jīng)獲得大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，人們提出了各種操控電子運(yùn)動(dòng)以及光電流時(shí)空分布的方法，由此發(fā)展出一系列的操控太赫茲輻射波形、空間分布、頻譜、強(qiáng)度、偏振、場(chǎng)模式等輻射特性的技術(shù)，為太赫茲輻射源的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。但基于雙色激光等離子體太赫茲源，目前主要應(yīng)用在強(qiáng)太赫茲時(shí)域光譜、材料的太赫茲非線性效應(yīng)、太赫茲磁場(chǎng)對(duì)磁性材料的操控等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域。強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射源的應(yīng)用仍然是一個(gè)有待發(fā)展的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢技術(shù)客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問(wèn)題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。