封面展示了雙色激光聚焦形成的等離子體光絲，光絲內正負帶電粒子的微觀運動軌跡被藝術化為星云，它們既在雙色激光場與等離子體環(huán)境中各自獨立運動又彼此相互影響。這個高度非線性過程激發(fā)了與帶電粒子運動關聯(lián)的太赫茲輻射，也為揭示其機理、精準調控其參數(shù)提供了有效途徑與技術手段。

1、背景介紹

太赫茲輻射在電磁波譜中介于傳統(tǒng)光學的中紅外波段與傳統(tǒng)電子學的微波波段之間，具有單光子能量低、穿透性好的特點，且覆蓋了化合物和生物大分子振動和轉動在內的許多物理過程的特征頻率，因而在材料科學、生物、醫(yī)學、通信等領域有著廣泛應用。太赫茲科學經過幾十年的高速發(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，包括光導天線、真空電子學器件、量子級聯(lián)激光器、光整流晶體等，為相關領域的研究和應用提供了諸多可能性。然而，隨著太赫茲應用技術在相關領域的不斷推進，對太赫茲輻射的強度、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，雙色激光場激發(fā)空氣等離子體產生太赫茲輻射的技術應運而生。該技術利用飛秒激光在空氣中形成等離子體光絲，通過精確調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，實現(xiàn)了無損傷閾值限制、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顯著優(yōu)勢：首先，避免了固體介質損傷的困擾，可產生更高強度的太赫茲輻射；其次，輻射頻譜覆蓋范圍更廣，可達0.1~100 THz；最重要的是，通過靈活調控激光參數(shù)，可以實現(xiàn)對太赫茲波強度、偏振、波形等多維度的精密控制。

2、理論機制

深入理解雙色激光場激發(fā)空氣等離子體產生太赫茲輻射的物理機制是實現(xiàn)太赫茲波精密操控的基礎。研究表明，這一過程主要包含三個關鍵物理環(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 太赫茲輻射產生的關鍵物理過程：原子電離、等離子體偶極振蕩和輻射產生

在原子電離階段，雙色激光場通過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"結構。在偶極振蕩階段，在雙色激光場作用后，原子電離產生的自由電子獲得定向運動，形成宏觀的電荷分離和瞬態(tài)偶極的形成。這些偶極在庫倫作用下以等離子體頻率振蕩。光絲結構可以看成是一維線型排列的偶極陣列（線性偶極陣列模型）。在輻射產生階段，光絲中每個偶極振蕩都會產生輻射，最終的太赫茲輻射是光絲內所有偶極振蕩輻射在遠場的疊加。值得注意的是，光絲不同位置的偶極對應的振蕩幅度和振蕩方向都隨雙色激光場的參數(shù)而變化，進而影響最終的太赫茲輻射場波形、分布和偏振態(tài)等。

3、應用與調控技術

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

在強度調控方面，通過優(yōu)化雙色激光場的參數(shù)可以獲得顯著的增強效果。實驗表明，調整雙色場的相對相位可以使太赫茲產率呈現(xiàn)周期性變化，最大值較單色方案提升可達30倍。波長選擇也展現(xiàn)出重要影響，當泵浦波長從800 nm增加到1800 nm時，太赫茲能量提升30倍，這與等離子體電流與波長平方成正比的理論預期一致。特別值得注意的是，雙色場偏振的選擇對效率影響顯著，同手性圓偏振雙色場（基頻光與倍頻光同向旋轉）的輻射效率可達線偏振雙色場的5倍。此外，通過對光絲的結構和形態(tài)的調整（包括橫向光場結構或縱向多光絲結構等），也能夠有效調控太赫茲輻射的強度。

偏振控制技術的突破也是近年來一項重要進展。通過建立完整的理論框架，上海交通大學盛政明、陳燕萍教授團隊實現(xiàn)了對太赫茲輻射偏振態(tài)的精密操控，如圖2所示，所設計的偏振雙色場生成模塊的特點是高度可控性，依次通過改變元件的位置或旋轉角度，可獨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算顯示，通過對雙色場相對相位、基頻光手性、光絲長度、倍頻光偏振橢率四個參數(shù)的控制，能夠實現(xiàn)太赫茲輻射偏振角度、手性、橢率和輻射強度四個參量的獨立調控。

圖2 雙色場產生太赫茲輻射的偏振控制實驗。（a）復雜偏振雙色場控制太赫茲偏振實驗搭建示意圖，包含用于產生復雜偏振態(tài)雙色激光場的元件模塊。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）復雜偏振雙色場控制太赫茲偏振實驗結果與模擬

波形和頻譜調控技術的發(fā)展同樣令人矚目。2016年，團隊通過實驗和模擬證明了通過調整光絲長度可以實現(xiàn)對雙色激光激發(fā)光絲輻射的太赫茲波載波包絡相位的有效調控。其中，較短的等離子體光絲在雙色激光的相對相位變化時能夠保持輻射的太赫茲脈沖的載波包絡相位穩(wěn)定；長光絲情況下，改變雙色激光的相對相位可以對太赫茲脈沖的載波包絡相位進行連續(xù)調諧。另一方面，通過改變激光的啁啾和色散同樣可以控制太赫茲輻射的波形。實驗結果表明，正啁啾泵浦激光產生的太赫茲輻射具有負單極形狀的太赫茲波形，而負啁啾的引入則會驅動具有正單極形狀的波形。基于對激光驅動空氣電離過程的理解，團隊在近期的工作中提出了太赫茲輻射頻率控制方案，例如通過離化電流模型計算發(fā)現(xiàn)反手性的雙色場更有利于等離子體電離過程；通過控制雙色激光場的偏振態(tài)提高光絲內等離子體密度，實現(xiàn)了更高頻率的輻射輸出。當對空氣等離子體施加高壓時，太赫茲輻射頻率會隨著二次諧波強度的增強而發(fā)生藍移等等。

光場模式控制方面，團隊在激光光路上引入一個錐透鏡，錐透鏡的獨特幾何形狀使得光絲的電離前沿以超光速傳播，該超光速光絲可產生具有高階貝塞爾環(huán)結構的太赫茲輻射。此外還研究了雙色場拉蓋爾-高斯光束（Laguerre-Gaussian Beam）激發(fā)等離子體點源產生的太赫茲輻射，由于雙色場具有角向連續(xù)變化的相對相位，太赫茲輻射場強在角向上呈現(xiàn)周期性的變化，太赫茲輻射在遠場呈現(xiàn)“項鏈式束斑"。

4、總結與展望

經過20多年的發(fā)展，人們對雙色激光場驅動空氣等離子體太赫茲輻射的物理機理在微觀和宏觀層面都已經獲得比較深入的認識，其中基于光離化電流的模型，揭示了電子驅動、光離化電流和輻射產生、遠場疊加等物理過程，已經獲得大量的實驗驗證。在此基礎上，人們提出了各種操控電子運動以及光電流時空分布的方法，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、強度、偏振、場模式等輻射特性的技術，為太赫茲輻射源的應用奠定了重要基礎。但基于雙色激光等離子體太赫茲源，目前主要應用在強太赫茲時域光譜、材料的太赫茲非線性效應、太赫茲磁場對磁性材料的操控等基礎科學領域。強場太赫茲輻射源的應用仍然是一個有待發(fā)展的領域。

參考文獻： 中國光學期刊網

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