國外團(tuán)隊開發(fā)激光脈沖高功率太赫茲發(fā)射新模型

近期，由馬里蘭大學(xué)帕克學(xué)院、韓國光州科學(xué)技術(shù)研究所（GIST）和韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（KBSI）組成的的研究小組開發(fā)了一種激光脈沖的高功率太赫茲發(fā)射的新模型。這項研究成果發(fā)表在《光科學(xué)與應(yīng)用》（Light Science ＆ Application）雜志上。

基于激光的太赫茲源能夠產(chǎn)生相干、單周期到多周期和寬帶（或窄帶）輻射，從而能夠在各領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)用價值。此外，這種光源可以提供與驅(qū)動激光的自然同步，實現(xiàn)超快時間分辨光譜和成像。

正是憑借這些特性和優(yōu)勢，近年來高功率飛秒激光器已被用于產(chǎn)生強(qiáng)大的太赫茲輻射，并用于研究新的太赫茲驅(qū)動現(xiàn)象，如諧波產(chǎn)生、分子對準(zhǔn)和電子加速。

而在眾多激光源中，激光等離子體源又是適合于產(chǎn)生高功率太赫茲的。等離子體被電離后可以維持高電磁場，因此基本不用擔(dān)心材料受到損傷。同時，高功率激光脈沖被集中到一個小體積的范圍內(nèi)，用于能量可擴(kuò)展的太赫茲產(chǎn)生。

由于新的太赫茲源和探測器的發(fā)展迅速增加，“太赫茲差距”（Terahertz Gap）正在迅速縮小。并且至今，激光產(chǎn)生的氣體和固體密度等離子體產(chǎn)生的相干太赫茲已經(jīng)得到了廣泛的分析。

在氣體中，單色或雙色激光產(chǎn)生的等離子體可以通過超快激光驅(qū)動電流產(chǎn)生相干寬帶太赫茲輻射。而在雙色激光混合方面，利用中紅外激光驅(qū)動器，激光到太赫茲的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了百分之幾。此外，研究已發(fā)現(xiàn)高能太赫茲輻射來自激光照射的高密度等離子體目標(biāo)，這取決于這些目標(biāo)是固體還是液體。

近年來，科學(xué)家們還利用高能（～60 J）皮秒激光脈沖照射金屬箔，并從中發(fā)現(xiàn)了幾十兆焦耳的太赫茲能量。與氣體靶相反，高密度靶通常會產(chǎn)生目標(biāo)重新裝填和目標(biāo)碎片問題，這就使其更不適用于恒定或高重復(fù)率（＞kHz）操作。

激光尾跡場加速（LWFA）是一種基于氣體等離子體的緊湊電子加速器方案，是寬帶電磁輻射的另一個來源。在激光尾跡場加速（LWFA）中產(chǎn)生的相對論性電子束在離開等離子體－真空邊界時通過相干躍遷輻射（CTR）釋放太赫茲輻射。

當(dāng)電子束長度大小與發(fā)射的太赫茲輻射的波長相當(dāng)或更窄更短時，就會發(fā)生這種情況，并且由獨(dú)立電子產(chǎn)生的太赫茲場以連貫的方式在輻射方向上疊加。

在實驗中，上述研究小組觀察到了100TW激光驅(qū)動的激光尾跡場加速（LWFA）的多mJ太赫茲輻射，能量轉(zhuǎn)換效率為0．15％。發(fā)射的太赫茲輻射已經(jīng)徑向極化和寬頻，因此可能擴(kuò)展到10太赫茲以上。

電子束特性（能量和電荷）與太赫茲輸出能量之間的相關(guān)性表明，高能（＞150 MeV）電子本質(zhì)上不會產(chǎn)生高功率太赫茲輻射。相反，低能量但高電荷的電子可以產(chǎn)生更強(qiáng)的太赫茲輻射。

為了用多mJ太赫茲產(chǎn)生共同描述這一結(jié)果，研究小組提出了相干輻射模型——電子在激光質(zhì)動勢的加速下，連續(xù)等離子尾流場隨著激光傳播方向連續(xù)輻射寬帶發(fā)射，最終導(dǎo)致遠(yuǎn)場相位匹配的錐形太赫茲輻射。

但是，該模型需要更多后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的實驗分析、數(shù)值研究來證實和推演，才能全面了解激光尾跡場加速（LWFA）中太赫茲的產(chǎn)生，并在未來為大功率太赫茲應(yīng)用改進(jìn)電源。

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審核編輯 ：李倩