国外团队开发出激光脉冲高功率太赫兹发射新模型

近期，由马里兰大学帕克学院、韩国光州科学技术研究所（GIST）和韩国基础科学研究所（KBSI）组成的的研究小组开发了一种激光脉冲的高功率太赫兹发射的新模型。这项研究成果发表在《光科学与应用》（Light Science ＆ Application）杂志上。基于激光的太赫兹源能够产生相干、单周期到多周期和宽带（或窄带）辐射，从而能够在各领域发挥应用价值。此外，这种光源可以提供与驱动激光的自然同步，实现超快时间分辨光谱和成像。正是凭借这些特性和优势，近年来高功率飞秒激光器已被用于产生强大的太赫兹辐射，并用于研究新的太赫兹驱动现象，如谐波产生、分子对准和电子加速。而在众多激光源中，激光等离子体源又是最适合于产生高功率太赫兹的。等离子体被电离后可以维持高电磁场，因此基本不用担心材料受到损伤。同时，高功率激光脉冲被集中到一个小体积的范围内，用于能量可扩展的太赫兹产生。由于新的太赫兹源和探测器的发展迅速增加，“太赫兹差距”（Terahertz Gap）正在迅速缩小。并且至今，激光产生的气体和固体密度等离子体产生的相干太赫兹已经得到了广泛的分析。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电流产生相干宽带太赫兹辐射。而在双色激光混合方面，利用中红外激光驱动器，激光到太赫兹的转换效率达到了百分之几。此外，研究已发现高能太赫兹辐射来自激光照射的高密度等离子体目标，这取决于这些目标是固体还是液体。近年来，科学家们还利用高能（～60 J）皮秒激光脉冲照射金属箔，并从中发现了几十兆焦耳的太赫兹能量。与气体靶相反，高密度靶通常会产生目标重新装填和目标碎片问题，这就使其更不适用于恒定或高重复率（＞kHz）操作。激光尾迹场加速（LWFA）是一种基于气体等离子体的紧凑电子加速器方案，是宽带电磁辐射的另一个来源。在激光尾迹场加速（LWFA）中产生的相对论性电子束在离开等离子体－真空边界时通过相干跃迁辐射（CTR）释放太赫兹辐射。当电子束长度大小与发射的太赫兹辐射的波长相当或更窄更短时，就会发生这种情况，并且由独立电子产生的太赫兹场以连贯的方式在辐射方向上叠加。在实验中，上述研究小组观察到了100TW激光驱动的激光尾迹场加速（LWFA）的多mJ太赫兹辐射，能量转换效率为0．15％。发射的太赫兹辐射已经径向极化和宽频，因此可能扩展到10太赫兹以上。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（＞150 MeV）电子本质上不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。为了用多mJ太赫兹产生共同描述这一结果，研究小组提出了相干辐射模型——电子在激光质动势的加速下，连续等离子尾流场随着激光传播方向连续辐射宽带发射，最终导致远场相位匹配的锥形太赫兹辐射。但是，该模型需要更多后续进行进一步的实验分析、数值研究来证实和推演，才能全面了解激光尾迹场加速（LWFA）中太赫兹的产生，并在未来为大功率太赫兹应用改进电源。