进展 | 双色场太赫兹辐射方案的推广及物理机制澄清

2018 年 1 月 5 日 中科院物理所 L05组

太赫兹波通常指频率处于0.1 THz到10 THz的电磁波（1THz=10¹²Hz）。由于其独特的波段，太赫兹波在很多领域非常有用。但如何产生可调谐的强太赫兹辐射源是一个长期存在的难题。近三十年的研究表明：等离子体作为一种独特的介质，可以把强激光转化成强太赫兹辐射源。其中，2000年提出的“双色场方案”，由于转换效率高和技术简单等优点，得到最为广泛地研究。在双色场方案中，一束常规的800nm激光穿过一块倍频晶体产生的400nm激光，后者与剩余的800nm激光混合，在大气中就能产生MV/cm的强太赫兹波。

该方案自提出以来，其物理机制一直存在着争议，存在等离子体电流模型和非线性光学的多波混频两种不同的理论模型。同时，在所有的实验中两束激光的波长比始终固定在2:1，是否可以把它推广到其它波长比还不清楚。当波长比固定在2:1时，很难对其机制进行彻底澄清。如果采用其它的波长比，则可能为其物理机制的澄清提供新的突破口。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组的王伟民副研究员、李玉同研究员和上海交通大学盛政明教授等人针对以上问题进行了理论和实验研究[1-3]。2013年，他们首次从理论上预测了双色场方案可以推广到4:1、6:1等波长比[1]。2017年，他们后续的理论工作进一步预测双色场方案可以推广到波长比为2n:1、(n+0.5):1系列（n为正整数）[2]。

基于上述理论工作，最近王伟民与首都师范大学张亮亮副教授、张岩教授领导的实验团队合作，共同设计实验方案，首次在实验上证实了他们的理论预测，演示了双色场方案在波长比为4:1和3:2时也能有效地产生太赫兹波。实验上还观察到了：太赫兹波的偏振可以通过旋转较长波长激光的偏振进行调节，但是旋转较短波长激光的偏振时，该偏振调节方法失效；取不同的激光波长比时，太赫兹波能量满足相似的定标率。这些现象与多波混频理论模型给出的关于介电张量对称性、不同波长比条件下太赫兹波能量具有不同的定标率等预测相矛盾。相反地，以上两个实验结果与王伟民等人的等离子体电流模型结果一致：太赫兹波椭圆偏振率正比于(λ_长/λ_短)⁴；在不同波长比条件下，太赫兹波能量满足相似的定标率，并在激光强度比较低的情况下满足线性定标率。该系列工作进一步证实了其物理机制应主要归结为等离子体电流模型，对基于“双色场方案”的太赫兹辐射产生和调控具有重要指导意义。

以上系列工作已经发表在近期的Phys. Rev. Lett. 和Phys. Rev. A/E上[1-3]。研究得到了国家自然科学基金委（11375261）、挑战计划（TZ2016005）、科技部973项目（2013CBA01500）、中科院先导科技专项（XDB16010200, XDB07030300）、教育部IFSA协同创新中心的资助。

图1. 左图中第一束激光波长为800nm，第二束激光波长在1200nm到1600nm间变化，发现太赫兹波能量峰值出现在1200nm和1600nm附近（波长比为3:2和2:1）；右图中第一束激光波长为400nm，当第二束激光波长为1600nm时，出现太赫兹波能量峰值，对应的波长比为4:1。在两幅图中“x”点为实验结果，实线为KLAPS粒子模拟（PIC）结果。

图2. 双色场方案中采用400nm和1600nm激光组合，两束激光初始偏振均在水平方向上，然后分别旋转1600nm激光的偏振（左图）和400nm激光的偏振（右图），让其具有竖直方向的分量。在左图中随着1600nm激光的旋转角从0增加到90度，太赫兹波水平分量逐渐减小，竖直分量先增加再较小；在右图中随着400nm激光的旋转角从0增加到90度，太赫兹波竖直分量始终处于很低的水平。此实验结果与我们的等离子体电流模型预测的太赫兹波椭圆偏振率正比于(λ_长/λ_短)⁴相符。在两幅图中“o”点为实验结果，实线为KLAPS粒子模拟（PIC）结果。

图3. 太赫兹波能量ԑ_THz随激光峰值功率的变化，左图中激光波长比为4:1，右图中波长比为3:2。根据多波混频理论的预测，左图中ԑ_THz应该正比于(P1600nm)⁴，右图中ԑ_THz应该正比于(P800nm)²，实验结果不符合这些定标率。实验还观察到：当激光功率比较低时（曲线的开始阶段），在不同波长比情形均满足线性定标率，这与我们的等离子体电流模型预测一致。在两幅图中“x”点为实验结果，实线为KLAPS粒子模拟（PIC）结果。

文章链接：

[1] https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.87.033108
[2] https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.96.023844
[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.235001

编辑：zkai

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