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深度解讀
強(qiáng)激光高能量密度物理研究新進(jìn)展
3D打印商情 來(lái)源:中科院物理研究所2015-06-29 我要評(píng)論(0 )
太赫茲波是指頻率處于0.1THz(1012Hz)到10THz之間的電磁波。這個(gè)波段處于電子學(xué)和光子學(xué)傳統(tǒng)波段的空隙區(qū),因而缺乏有效的產(chǎn)生
太赫茲波是指頻率處于0.1THz(1012Hz)到10THz之間的電磁波。這個(gè)波段處于電子學(xué)和光子學(xué)傳統(tǒng)波段的“空隙”區(qū),因而缺乏有效的產(chǎn)生和探測(cè)方法。但是,太赫茲波有著非常廣泛的用途,例如:許多生物大分子的骨架振動(dòng)、晶體中晶格的低頻振動(dòng)等均處于太赫茲波段,因此太赫茲成像等方法在對(duì)這些領(lǐng)域的研究起著不可替代的作用;人體自身也會(huì)產(chǎn)生太赫茲波,并且可以穿透衣物,因而太赫茲成像技術(shù)可以用于安全檢查。目前,太赫茲波的產(chǎn)生、探測(cè)和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。
在強(qiáng)太赫茲波產(chǎn)生方面,“雙色激光”方案因?yàn)楦叩男识蝗藗儚?qiáng)烈的關(guān)注和持續(xù)的研究。它把基頻激光和其倍頻光混合后聚焦在氣體中,通過(guò)離化電流可以產(chǎn)生近1GV/m的太赫茲波。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李玉同研究組的王偉民副研究員和上海交通大學(xué)盛政明教授等人對(duì)該方案進(jìn)行了長(zhǎng)期理論研究,取得了多項(xiàng)成果。比如2008年提出了一個(gè)對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了完整描述理論模型,以及進(jìn)一步提高太赫茲波產(chǎn)生效率的方案[Opt. Express 16, 16999];2011年首次提出利用中紅外激光大幅提高太赫茲波強(qiáng)度的方案[Opt. Lett. 36, 2608],并被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
上述雙色激光方案通常只能產(chǎn)生線偏振、單周期、寬頻譜的太赫茲波。為了拓寬該方案的應(yīng)用范圍,需要找到能夠?qū)ζ淦?、頻譜等進(jìn)行調(diào)控的有效手段。為此,王偉民、盛政明、李玉同以及德國(guó)Juelich超算中心的Paul Gibbon教授合作,提出了一種利用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)控的全新方案,即在原有方案的基礎(chǔ)上,施加一個(gè)沿著激光傳播方向的靜磁場(chǎng)。加入該磁場(chǎng)后,產(chǎn)生的太赫茲波由線偏振變成了圓偏振,圓偏振波的旋轉(zhuǎn)方向可以由外加磁場(chǎng)符號(hào)來(lái)控制;波形由單周期結(jié)構(gòu)(寬譜)變成多周期結(jié)構(gòu)(窄譜);太赫茲波頻率可由磁場(chǎng)強(qiáng)度線性控制;太赫茲波強(qiáng)度可由磁場(chǎng)強(qiáng)度和氣體密度共同控制。他們利用二維和三維粒子模擬完全再現(xiàn)了上述方案,并提出了一個(gè)完備的理論模型。這為以全光學(xué)的方式產(chǎn)生一種偏振、頻率、波形和場(chǎng)強(qiáng)均可調(diào)諧的新型太赫茲波源提供了新思路。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 114, 253901 (2015)。
本項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部973項(xiàng)目、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心和中國(guó)科學(xué)院的支持。
圖1:示意圖。(a)原始雙色激光方案:離化電流驅(qū)動(dòng)等離子體本征振蕩,使得產(chǎn)生的太赫茲波頻率為等離子體頻率ωp、線偏振態(tài)、單周期波形;(b)磁場(chǎng)控制的雙色激光方案:等離子體電子在外加磁場(chǎng)作用下做近回旋運(yùn)動(dòng),使得產(chǎn)生的太赫茲波頻率為電子回旋頻率ωc、圓偏振態(tài)、多周期波形。
圖2:KLAPS粒子模擬結(jié)果。[(a), (b)]產(chǎn)生的太赫茲波的兩個(gè)電場(chǎng)分量Ey和Ez在某時(shí)刻的空間分布圖,(c)為電場(chǎng)在軸心處的分布圖,其中外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為178特斯拉(對(duì)應(yīng)的電子回旋頻率為5THz)。作為對(duì)比,在(c)圖用兩條虛線給出了無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的太赫茲波的兩個(gè)電場(chǎng)分量。結(jié)果顯示外加磁場(chǎng)使得原來(lái)的頻率為1THz、單周期、線偏振(僅Ez分量)的太赫茲波,變成頻率為5THz、多周期、圓偏振的太赫茲波。
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