双色激光场激发空气等离子体，实现太赫兹辐射新方法

封面展示了双色激光聚焦形成的等离子体光丝，光丝内正负带电粒子的微观运动轨迹被艺术化为星云，它们既在双色激光场与等离子体环境中各自独立运动又彼此相互影响。这个高度非线性过程激发了与带电粒子运动关联的太赫兹辐射，也为揭示其机理、精准调控其参数提供了有效途径与技术手段。

1、背景介绍

太赫兹辐射在电磁波谱中介于传统光学的中红外波段与传统电子学的微波波段之间，具有单光子能量低、穿透性好的特点，且覆盖了化合物和生物大分子振动和转动在内的许多物理过程的特征频率，因而在材料科学、生物、医学、通信等领域有着广泛应用。太赫兹科学经过几十年的高速发展，多种具有不同特性的太赫兹辐射源陆续发展起来，包括光导天线、真空电子学器件、量子级联激光器、光整流晶体等，为相关领域的研究和应用提供了诸多可能性。然而，随着太赫兹应用技术在相关领域的不断推进，对太赫兹辐射的强度、偏振态等物理参量的可操控性方面提出了更高的要求。

在这一背景下，双色激光场激发空气等离子体产生太赫兹辐射的技术应运而生。该技术利用飞秒激光在空气中形成等离子体光丝，通过精确调控两束不同频率激光（通常为基频光及其二次谐波）的参数组合，实现了无损伤阈值限制、频谱范围宽、可灵活操控的太赫兹辐射。相比传统方法，这种基于等离子体的太赫兹源具有三个显著优势：首先，避免了固体介质损伤的困扰，可产生更高强度的太赫兹辐射；其次，辐射频谱覆盖范围更广，可达0.1~100 THz；最重要的是，通过灵活调控激光参数，可以实现对太赫兹波强度、偏振、波形等多维度的精密控制。

2、理论机制

深入理解双色激光场激发空气等离子体产生太赫兹辐射的物理机制是实现太赫兹波精密操控的基础。研究表明，这一过程主要包含三个关键物理环节：原子电离、等离子体偶极振荡、辐射的生成和叠加，如图1所示。

图1 太赫兹辐射产生的关键物理过程：原子电离、等离子体偶极振荡和辐射产生

在原子电离阶段，双色激光场通过多光子电离或隧穿电离使空气分子电离，形成等离子体通道，即“光丝"结构。在偶极振荡阶段，在双色激光场作用后，原子电离产生的自由电子获得定向运动，形成宏观的电荷分离和瞬态偶极的形成。这些偶极在库伦作用下以等离子体频率振荡。光丝结构可以看成是一维线型排列的偶极阵列（线性偶极阵列模型）。在辐射产生阶段，光丝中每个偶极振荡都会产生辐射，最终的太赫兹辐射是光丝内所有偶极振荡辐射在远场的叠加。值得注意的是，光丝不同位置的偶极对应的振荡幅度和振荡方向都随双色激光场的参数而变化，进而影响最终的太赫兹辐射场波形、分布和偏振态等。

3、应用与调控技术

基于对物理机制的深入理解，研究人员发展了一系列有效的太赫兹辐射调控技术，主要包括强度调控、偏振控制、波形整形、频谱调制和光场模式控制等方面。

在强度调控方面，通过优化双色激光场的参数可以获得显著的增强效果。实验表明，调整双色场的相对相位可以使太赫兹产率呈现周期性变化，最大值较单色方案提升可达30倍。波长选择也展现出重要影响，当泵浦波长从800 nm增加到1800 nm时，太赫兹能量提升30倍，这与等离子体电流与波长平方成正比的理论预期一致。特别值得注意的是，双色场偏振的选择对效率影响显著，同手性圆偏振双色场（基频光与倍频光同向旋转）的辐射效率可达线偏振双色场的5倍。此外，通过对光丝的结构和形态的调整（包括横向光场结构或纵向多光丝结构等），也能够有效调控太赫兹辐射的强度。

偏振控制技术的突破也是近年来一项重要进展。通过建立完整的理论框架，上海交通大学盛政明、陈燕萍教授团队实现了对太赫兹辐射偏振态的精密操控，如图2所示，所设计的偏振双色场生成模块的特点是高度可控性，依次通过改变元件的位置或旋转角度，可独立地控制双色激光的偏振参数。此外线性偶极阵列模型计算显示，通过对双色场相对相位、基频光手性、光丝长度、倍频光偏振椭率四个参数的控制，能够实现太赫兹辐射偏振角度、手性、椭率和辐射强度四个参量的独立调控。

图2 双色场产生太赫兹辐射的偏振控制实验。（a）复杂偏振双色场控制太赫兹偏振实验搭建示意图，包含用于产生复杂偏振态双色激光场的元件模块。子图是利用金属小孔控制有效辐射太赫兹波的等离子体源的尺度；（b）~（g）复杂偏振双色场控制太赫兹偏振实验结果与模拟

波形和频谱调控技术的发展同样令人瞩目。2016年，团队通过实验和模拟证明了通过调整光丝长度可以实现对双色激光激发光丝辐射的太赫兹波载波包络相位的有效调控。其中，较短的等离子体光丝在双色激光的相对相位变化时能够保持辐射的太赫兹脉冲的载波包络相位稳定；长光丝情况下，改变双色激光的相对相位可以对太赫兹脉冲的载波包络相位进行连续调谐。另一方面，通过改变激光的啁啾和色散同样可以控制太赫兹辐射的波形。实验结果表明，正啁啾泵浦激光产生的太赫兹辐射具有负单极形状的太赫兹波形，而负啁啾的引入则会驱动具有正单极形状的波形。基于对激光驱动空气电离过程的理解，团队在近期的工作中提出了太赫兹辐射频率控制方案，例如通过离化电流模型计算发现反手性的双色场更有利于等离子体电离过程；通过控制双色激光场的偏振态提高光丝内等离子体密度，实现了更高频率的辐射输出。当对空气等离子体施加高压时，太赫兹辐射频率会随着二次谐波强度的增强而发生蓝移等等。

光场模式控制方面，团队在激光光路上引入一个锥透镜，锥透镜的独特几何形状使得光丝的电离前沿以超光速传播，该超光速光丝可产生具有高阶贝塞尔环结构的太赫兹辐射。此外还研究了双色场拉盖尔-高斯光束（Laguerre-Gaussian Beam）激发等离子体点源产生的太赫兹辐射，由于双色场具有角向连续变化的相对相位，太赫兹辐射场强在角向上呈现周期性的变化，太赫兹辐射在远场呈现“项链式束斑"。

4、总结与展望

经过20多年的发展，人们对双色激光场驱动空气等离子体太赫兹辐射的物理机理在微观和宏观层面都已经获得比较深入的认识，其中基于光离化电流的模型，揭示了电子驱动、光离化电流和辐射产生、远场叠加等物理过程，已经获得大量的实验验证。在此基础上，人们提出了各种操控电子运动以及光电流时空分布的方法，由此发展出一系列的操控太赫兹辐射波形、空间分布、频谱、强度、偏振、场模式等辐射特性的技术，为太赫兹辐射源的应用奠定了重要基础。但基于双色激光等离子体太赫兹源，目前主要应用在强太赫兹时域光谱、材料的太赫兹非线性效应、太赫兹磁场对磁性材料的操控等基础科学领域。强场太赫兹辐射源的应用仍然是一个有待发展的领域。

参考文献： 中国光学期刊网

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