單色超快激光成絲產生太赫茲輻射機理

張秀平, 彭 滟, 朱亦鳴

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093)

單色超快激光成絲產生太赫茲輻射機理

張秀平, 彭 滟, 朱亦鳴

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093)

單色超快激光與氣體介質相互作用成絲產生太赫茲波是當前產生寬頻太赫茲輻射的一個重要途徑。介紹了不同模型下單色場(波長為0.8 μm)超快激光與氣體介質作用產生寬頻強太赫茲輻射的產生機制,以及提升太赫茲波產生效率的幾種方法。單色激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射的產生機制模型有渡越-切侖科夫輻射模型、激光有質動力模型和軔致輻射模型。研究表明,在拉絲周圍外加橫向電壓、外加縱向電壓和雙拉絲的方法都能獲得更強的太赫茲波。

太赫茲波; 單色場; 產生機制

引 言

太赫茲具有“指紋”分析、穿透性、渡越性等特性[1-2],它的獨特屬性使其在很多領域有著不可估量的應用前景,如生物醫學、通信、天文學等[3-4],因此太赫茲波一直備受人們的廣泛關注。目前產生太赫茲輻射有很多種方法,如光整流效應、光電導天線等[5-8],其中超快激光與氣體介質作用成絲產生太赫茲波的方法不受介質損傷閾值的限制,使用起來更加方便。隨著超快激光的發展,超快激光與空氣介質相互作用形成等離子體拉絲產生高效太赫茲輻射已成為一個重要的輻射方式[9-10],該方法獲得的太赫茲波具有強度高、相干性好、頻譜寬、可調諧等諸多優點。單色超快激光場與氣體介質作用產生的太赫茲波有一個顯著的特點,即所產生的太赫茲波是徑向偏振光,它的偏振態關于光軸對稱,軸上光強始終為零,對其聚焦后可產生軸向分量。這一特點引起眾多研究人員的廣泛關注,并且在很多方面都發揮著重要作用,如顯微鏡、電子加速、光學捕捉和控制、平頂焦場、三維光鏈以及材料加工等[11]。本文將詳述單色超快激光場與氣體介質作用輻射太赫波的產生機制,除此以外,為了說明其在各個領域的發展和應用,還介紹了增強輻射效率的幾種方法。

1 單色超快激光與氣體介質作用成絲輻射太赫茲波的機制

相比太赫茲光整流和光導天線太赫茲源的方法,超快激光與氣體介質作用成絲產生太赫茲波的方法不受介質損傷閾值的限制,使用起來更加方便。1993年,Hamster等采用峰值功率為1012W和脈沖寬度為10-13s的超快激光電離大氣,得到了多種波段的電磁輻射,其中包括太赫茲波輻射,這是首次實現用單色超快激光場與氣體介質作用形成等離子體產生太赫茲波的實驗[12-13],其裝置如圖1(a)所示。目前超快激光成絲產生太赫茲波主要是,通過單色激光場與氣體介質相互作用和雙色激光場與氣體介質相互作用,這兩種方法產生太赫茲波的機理各不相同,其基本的產生方式如圖1所示。圖1(a)為用單色超快激光場與氣體介質作用形成等離子體產生太赫茲波的裝置,實驗中使用0.8 μm波長的飛秒激光通過聚焦透鏡Lens(f1)形成等離子拉絲,最終輻射出徑向偏振的太赫茲波;圖1(b)為四波混頻模型產生太赫茲輻射的一般實驗裝置圖,實驗中同樣使用0.8 μm波長的線偏振飛秒激光作為基頻的激發光,二倍頻偏硼酸鋇晶體(BBO)用于產生二倍頻激光即0.4 μm波長激光,飛秒激光依次通過聚焦透鏡Lens(f2)和BBO,與氣體介質相互作用產生等離子體拉絲,最終得到線偏振太赫茲波。

圖1 單色/雙色超快激光場激勵大氣產生太赫茲波Fig.1 Terahertz radiation from the interaction between ultrafast monochromatic/double-color laser pulses and gas medium

對于單色激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射的產生機制,直到現在仍然存在爭議,爭議較大的幾種模型大致有渡越-切侖科夫輻射模型、激光有質動力模型、軔致輻射模型等,下面介紹幾種關注較多的物理模型。

1.1渡越-切侖科夫輻射模型

渡越輻射指的是勻速直線運動的點電荷在不均勻的條件下產生的輻射。切倫科夫輻射指的是帶電粒子在透明介質中穿行的速度超過介質中的光速時所發出的一種輻射。

渡越-切侖科夫輻射是由D’Amico等提出的一種模型,是一種介于渡越輻射和切侖科夫輻射之間的效應[14]。當強激光在空氣中聚焦形成等離子體拉絲時,激光脈沖會使空氣產生弱電離,電離產生的自由電子和離子在等離子體拉絲的這種不均勻介質中會產生渡越輻射。另外,電離形成的自由電子和離子之間會相互碰撞,在一個大氣壓下,它們的碰撞時間約為0.1～0.2 ps,而等離子體的振蕩頻率為

(1)

式中:Ne為電荷數;e為電荷;ε0為真空中的介電常數;me為電子的有效質量。其對應的振動周期為[14]

(2)

這可以大致描繪為:一個電偶極子尾隨著激光脈沖在前進,電偶極子傳播的速度v等于激光脈沖在空氣中的傳播速度c,即v=c;但是,光的相速度小于其在空氣中的傳播速度c,從而產生切侖科夫輻射[15]。

一般情況下,類偶極子長度l的數量級相似于等離子體衰減長度(約為30～100 μm),比輻射波長(如以1 THz來計算,其波長為300 μm)小很多,由于損耗因子為(l/λ)2[14],因此會很大程度降低太赫茲波的輻射效率,太赫茲波在等離子體中的折射率近似為1,這也將會降低切倫科夫輻射的效率。

1.2激光有質動力模型

有質動力是帶電粒子在非均勻電磁場中受到的一種非線性作用力。在均勻電磁場中,各處的電場振動幅度是相同的,帶電粒子在場中經過一個周期后將會回到原始位置。但是,在非均勻電磁場中,有質動力會把帶電粒子推向電場較弱的區域[16]。有質動力的表達式為

(3)

式中:e、m分別為帶電粒子的電荷量和質量;ωe、E是電磁場的振動頻率和振幅。帶電粒子在非均勻電磁場中以電磁場頻率ωe振動,電磁場的強度越大,有質動力越大。

20世紀90年代,Hamster等[13]首次提出了將亞皮秒強激光脈沖在空氣中聚焦,使空氣在焦點處電離空氣介質產生帶正電的正價離子和帶負電的自由電子,激光有質動力使離子和電荷之間形成較大的密度差,而這種電荷分離將導致強有力的電磁瞬變,輻射出太赫茲波。利用泊松公式和拉莫爾旋進公式可以估測拉絲輻射出的紅外能量P(能量級大概是MW)[17],其滿足

(4)

式中:W為激光能量;R0為激光聚焦之后的光束直徑;λ為激光波長;τ為激光脈沖長度。

1.3軔致輻射模型

軔致輻射是指高速電子驟然減速產生的輻射,泛指帶電粒子在碰撞過程中發出的輻射,即當帶電粒子通過介質時,因與介質中原子或原子核作用而減速產生的輻射稱為軔致輻射,例如一個高能電子與一個原子核相碰撞時所產生的輻射。如果一個自由電子在原子核的電場作用下從一種自由狀態過渡到另一種自由狀態,則輻射光子的頻率滿足

(5)

根據軔致輻射模型,由基波的高強度激光和周圍原子相互作用,導致隧道電離[18-19],電離過程中會形成一些波包,這些波包在激光有質動力的驅動下快速移動。這些快速移動的波包以量子化的速度離開母體原子,在離開的過程中與周圍的事物(例如中性原子等)碰撞形成了軔致輻射,輻射出太赫茲波[20]。

2 提高太赫茲輻射效率的若干方法

單色超快激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射效率的提高有很多方法,在單色激光誘導形成拉絲的基礎上,可以通過在拉絲周圍外加縱向電壓[21]、外加橫向電壓[22]、雙拉絲[23]等方法獲得更強的太赫茲波。這些方法不需要復雜的光學元件和光學晶體,不需脈沖之間的精確對齊或相位調整,因此這些方法可以運用到更多的太赫茲技術應用中。除此以外,這種簡單裝置產生的太赫茲源可以被放置在遠距離目標上,能夠有效解決太赫茲波在遠距離傳輸中空氣水蒸氣對太赫茲波吸收嚴重這一問題,可以為接下來更多的探究奠定一定的基礎。

2.1在拉絲周圍外加縱向電壓提高太赫茲波的輻射效率

對于純粹的渡越-切侖科夫輻射,拉絲內部激光脈沖形成的有質動力產生了一個靜電場,外加縱向電場可以與該靜電場疊加,達到增大太赫茲輻射的效果,其裝置如圖2所示。在單色激光誘導的拉絲上加縱向電壓,即利用脈沖能量一定的單色激光,通過聚焦形成等離子體拉絲,并利用兩個尺寸不同的電極給拉絲兩端加上橫向電壓[21]。

圖2 在拉絲周圍加外加縱向電壓[21]Fig.2 Adding external longitudinal electric field[21]

實驗結果表明,這種外加直流電壓的方法可以使得渡越-切侖科夫太赫茲輻射增強三個數量級。假設等離子體可以看作是一個半徑為ρ0的圓柱形,等離子體的電子密度為ne,L為等離子體的總長度。EL為激光有質動力驅動的等離子體波的振幅,則其可以表示為

(6)

式中:e為電荷;ωpe為電子等離子體頻率;I0為激光脈沖的最大強度;me為電子有效質量;ε0為真空中的介電常數;c為真空中的光速;ω0為激光頻率。

Ee是外加電壓的縱向成分,可以表示為

(7)

(8)

式中:ω為激光頻率;ωpe為電子等離子體頻率,可以表示為

(9)

ve為電子碰撞頻率,可以表示為

(10)

(11)

文獻[22]提到的外加電壓的方式和文獻[21]相似,都是在單色激光誘導形成拉絲的基礎上在拉絲周圍外加電壓,不過所加的電場方向不同,分別是外加橫向電場和外加縱向電場。在拉絲周圍外加縱向電場可以使太赫茲波的能量增大三個數量級,文獻[21]中還提到,增大之后的太赫茲波的偏振狀態和不加電場時的狀態是一樣的;在拉絲周圍外加橫向電場的方法同樣可以使得太赫茲波能量增加三個數量級,但是文獻[22]中提到,增強后的太赫茲脈沖的輻射角度和偏振狀態均有一些改變。

2.2產生單色場雙拉絲來提高太赫茲波的輻射效率

在單色激光誘導形成拉絲的基礎上,采用雙拉絲的方法可以使得太赫茲輻射增大一個數量級,增強后的太赫茲波的發散角度和偏振狀態都有所改變,其裝置和效果圖如圖3所示,即通過使用了兩條飛秒激光脈沖,分別在空氣中形成兩條重疊的拉絲,并認為第一個和第二個脈沖分別經過渡越-切侖科夫輻射產生太赫茲波,然而有趣的是,最后產生的太赫茲信號比兩個脈沖單獨形成的太赫茲波信號相加的和至少大了一個數量級[23]。這種方法一般適用于初始光的強度較弱的情況,當初始光過強時反而不能增強,即如果通過產生單色場雙拉絲的方法來提高太赫茲波的輻射效率,那么對于初始光要有一定的限制,具體的限制需要根據實驗裝置的參數來定,在文獻[24]中作者使用的初始光的能量為300 mJ。對比之前的放射狀偏振,放大后的太赫茲波幾乎是嚴格線性偏振的,其偏振方向并不依賴激光脈沖的偏振狀態,它最大的輻射強度沿著激光傳播的方向。針對這種現象,根據種種假設和驗證,最后提出了一種比較合理的解釋。首先,沿著激光光束的傳播方向,太赫茲的圓錐形輻射角度有一個最大的角度限制,即

圖3 產生雙拉絲來提高太赫茲輻射效率[23]Fig.3 Improving the efficiency of terahertz radiation by generating double-filaments [23]

(12)

式中l為拉絲長度。對比單條拉絲的縱向電流輻射,雙拉絲輻射的太赫茲信號和拉絲的長度l成線性關系,參數l為20 cm、波長λ為3 mm,這使得太赫茲信號的增強因子為10。其次,兩個激光脈沖的最大延遲也是太赫茲信號增強的一個原因,這可以用第一個等離子體拉絲的生命周期來解釋。最后,太赫茲波總的發射時間依賴于拉絲的長度和尺寸大小。最大的太赫茲信號被等離子體波的總能量限制,可以表示為

(13)

式中:Ep為單脈沖誘導的等離子體波振幅;a為拉絲的線半徑。這種方法產生的小角度太赫茲波類似于渡越-切侖科夫機制從激光誘導形成拉絲產生的太赫茲輻射,這種方法簡單并且靈活,可以產生高效的太赫茲波,有助于太赫茲波在各個領域的應用,例如太赫茲斷層攝影技術等。

3 結 論

本文從超快激光成絲輻射太赫茲波的方法出發,詳述了單色超快激光成絲產生太赫茲輻射的產生機制,討論了如何提高太赫茲的輻射效率。對于單色激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射的產生機制,爭議較大的幾種模型大致有渡越-切侖科夫輻射模型、激光有質動力模型、軔致輻射模型。這幾種產生機制模型仍存在很大的爭議,雖然目前不能確定單色超快激光成絲產生太赫茲輻射的機制到底是什么,但是有一種主流解釋用于理解太赫茲波的輻射機制。對于單色場法,更多的學者認為是切侖科夫輻射的結果[24]。在拉絲周圍外加縱向電壓、外加橫向電壓、雙拉絲的方法都能獲得更強的太赫茲波,對比單色場增強太赫茲輻射效率的方法可以發現,單色超快激光成絲產生的太赫茲輻射對橫向和縱向電場都非常敏感,在一定條件下,外加電壓的方法可以使得太赫茲能量增加三個數量級,并且太赫茲脈沖的輻射角度、偏振狀態都有一些改變。對比外加電壓的增強方法,雙拉絲法放大后的太赫茲波幾乎是嚴格線性偏振的,它的偏振方向并不依賴激光脈沖的偏振狀態,它最大的輻射強度沿著激光傳播的方向。

綜上所述,對于單色激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射的產生機制,直到現在仍然存在爭議,仍需要更多的實驗論證和理論分析。目前為止,在單色激光誘導形成拉絲的基礎上,提高單色激光與氣體介質作用成絲產生太赫茲輻射效率的方法有很多,每種方法都有各自的特點,可以根據需要選擇不同的方法。單色超快激光場與氣體介質作用成絲產生的太赫茲波已成為一個重要的輻射方式,該方法獲得的太赫茲波具有強度高、頻譜寬、可調諧、相干性好等諸多優點,相信在所有學者不斷的探索和研究下,對太赫茲波的認知會有更多的進展。

[1] TONOUCHI M.Cutting-edge terahertz technology[J].Nature Photonics,2007,1(2):97-105.

[2] HO L,PEPPER M,TADAYP.Terahertz spectroscopy:Signatures and fingerprints[J].Nature Photonics,2008,2(9):541-543.

[3] WILLIAMSB S.Terahertz quantum-cascade lasers[J].Nature Photonics,2007,1(9):517-525.

[4] AJITO K,UENOY.THz chemical imaging for biological applications[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2011,1(1):293-300.

[5] 杜海偉.光電導天線太赫茲輻射研究[J].激光與光電子學進展,2009,46(7):45-48.

[6] BERRY C W,HASHEMI M R,JARRAHIM.Generation of high power pulsed terahertz radiation using a plasmonicphotoconductive emitter array with logarithmic spiral antennas[J].Applied Physics Letters,2014,104(8):081122.

[7] SMITH P R,AUSTON D H,NUSSM C.Subpicosecond photoconducting dipole antennas[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1988,24(2):255-260.

[8] BROWN E R,MCINTOSH K A,NICHOLS K B,et al.Photomixing up to 3.8 THz in low-temperature-grown GaAs[J].Applied Physics Letters,1995,66(3):285-287.

[9] REIMANN K.Table-top sources of ultrashort THz pulses[J].Reports on Progress in Physics,2007,70(10):1597-1632.

[10] COOK D J,HOCHSTRASSERR M.Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air[J].Optics Letters,2000,25(16):1210-1212.

[11] GOUYL G.Sur la propagation anomale des ondes[J].Annales de Chimie et de Physique,1891,24:145-213.

[12] 張立文,宋瀟,殷南,等.超短強激光大氣等離子體細絲中太赫茲輻射現象及其應用[J].激光雜志,2012,33(1):11-14.

[13] HAMSTER H,SULLIVAN A,GORDON S,et al.Short-pulse terahertz radiation from high-intensity-laser-produced plasmas[J].Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids & Related Interdisciplinary Topics,1994,49(1):671-677.

[14] D’AMICO C,HOUARD A,FRANCO M,et al.Conical forward THz emission from femtosecond-laser-beam filamentation in air[J].Physical Review Letters,2007,98(23):235002.

[15] PROULX A,TALEBPOUR A,PETIT S,et al.Fast pulsed electric field created from the self-generated filament of a femtosecond Ti:Sapphire laser pulse in air[J].Optics Communications,2000,174(1/2/3/4):305-309.

[16] MéCHAIN G,TZORTZAKIS S,PRADE B,et al.Calorimetric detection of THz radiation from femtosecond filaments in air[J].Applied Physics B,2003,77(8):707-709.

[17] KELDYSHL V.Diagram technique for nonequilibrium processes[J].Soviet Physics JETP,1965,20(4):1018-1026.

[18] CHIN S L,YERGEAU F,LAVIGNE P.Tunnel ionisation of Xe in an ultra-intense CO2laser field(1 014 W·cm-2) with multiple charge creation[J].Journal of Physics B:Atomic & Molecular Physics,1998,18(8):L213-L215.

[19] UIBERACKER M,UPHUES T,SCHULTZE M,et al.Attosecond real-time observation of electron tunnelling in atoms[J].Nature,2007,446(7136):627-632.

[20] KIM K Y,TAYLOR A J,GLOWNIA J H,et al.Coherent control of terahertz supercontinuum generation in ultrafast laser-gas interactions[J].Nature Photonics,2008,2(10):605-609.

[21] LIU Y,HOUARD A,PRADEB,et al.Amplification of transition-Cherenkov terahertz radiation of femtosecond filament in air[J].Applied Physics Letters,2008,93(5):051108.

[22] HOUARD A,LIU Y,PRADEB,et al.Strong enhancement of terahertz radiation from laser filaments in air by a static electric field[J].Physical Review Letters,2008,100(25):255006.

[23] LIU Y,HOUARD A,PRADE B,etal.Terahertz radiation source in air based on bifilamentation of femtosecond laser pulses[J].Physical Review Letters,2007,99(13):135002.

[24] ANDREEVA V A,KOSAREVA O G,PANOV N A,et al.Ultrabroad terahertz spectrum generation from an air-based filament plasma[J].Physical Review Letters,2016,116(6):063902.

Terahertzradiationmechanismfromfilamentinducedbymonochromaticultrafastlaserpulses

ZHANG Xiuping, PENG Yan, ZHU Yiming

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The interaction between monochromatic ultrafast laser pulses and gas medium is an important method for the generation of wide spectral range terahertz radiation.This paper introduced several physical models and several methods for improving the efficiency of terahertz radiation about the generation mechanisms of the monochromatic field with the laser wavelength of 0.8 μm.The terahertz radiation mechanism by monochromatic ultrafast laser has transit-Cherenkov radiation model,laser ponderomotive force model and bremsstrahlung model.Enhancing terahertz radiation efficiency has a lot of methods,such as adding external longitudinal electric field,adding external transverse electric field and generating double-filaments.

terahertz wave; monochromatic field; generation mechanisms

1005－5630（2017）05－0028－07

2017-06-01

國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ150021、2012YQ15009205);國家自然科學基金(11104186)

張秀平(1991—),女,碩士研究生,主要從事太赫茲技術方面的研究。E-mail:13817756475@163.com

彭 滟(1982—),女,教授,主要從事太赫茲波科學與技術等方面的研究。E-mail:py@usst.edu.cn

O 437

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.005

(編輯:劉鐵英)