在激光等离子体中产生的超强太赫兹辐射

盛政明  张杰

中国科学院物理所光物理实验室，北京100080

 
        太赫兹辐射(THz)在材料光谱分析、断层摄影成像、生物材料表征等方面有广泛的应用前景。THz成像技术和应用中辐射源的产生和检测技术是两个关键问题。目前迄今为止，对有关THz辐射的产生人们提出了多种多样的方案，但缺少高功率、低价和小型的THz辐射源仍然是目前这项技术应用的重大障碍。

        等离子体作为一种非线性介质，因为没有非线性破坏阈值，具备产生超强THz辐射的可能性。目前人们提出了一些以等离子体为介质通过超短激光脉冲作用产生THz辐射的方案，其中包括在磁化等离子体中通过激光尾波场(一种电子等离子体波)激发产生的Cerenkov辐射、通过激光尾波场加速电子(穿过介质和真空界面)产生的渡越辐射、由超短激光脉冲在气体介质中传播时通过光电离引起的频率下转换、超短激光脉冲在部分电离气体和介质表面中通过有质动力驱动电流产生的辐射、以及我们最近提出的通过在不均匀等离子体中激发激光尾波场，通过线性模式转换产生的宽带超强辐射机制。在这个报告中，我们将介绍上述几种方案的机制以及最新的进展。

        在我们提出的这种辐射机制中，首先由超短强激光脉冲注入到气体介质中激发大振幅的等离子体波。要求这个气体介质的密度分布是不均匀的，它可以由气体喷嘴产生。激光入射方向与密度梯度有一个夹角。在这种条件下，激发的等离子体波随着时间的演化会自动产生线性模式转换，由此产生定向的相干电磁辐射。我们用线性模式转换理论计算给出的辐射谱和转换效率与用粒子模拟方法通过数值模拟得到的结果完全一致。研究表明，其能量转换效率正比于入射激光强度、产生频率转换的等离子体尺度、以及转换频率比(ω/ω₀)³。这里ω和ω₀分别是产生辐射中心频率(接近于入射激光脉宽的倒数)和入射激光的频率。对于聚焦强度在3.4x 10¹⁷W／cm²的入射激光(国内多个实验室己可达到)，其能量转换效率容易达到10^-4或更高。在密度为10¹⁸cm^-3。(对应的等离子体频率为(ω_p／2π=9THz)等离子体中可以产生的尾波场的电场振幅达到100 GV／m，因此通过线性模式转换产生的THz辐射的电场强度可达到几个GV／m，这是目前用任何其他已知方法都不能产生的。除了用这种方案来产生THz辐射，我们还可以用这种辐射来探测等离子体波的激发。后者对新型粒子加速器的研究具有重要意义。
 
[l] Z.-M．Sheng，H.-C．Wu，K．Li，and J．Zhang，Phys．Rev．E 69，025401(R)(2004)．
[2] Z.-M．Sheng，K．Miraa，J．Zhang，and H．Sanuki，Phys．Rev．Lett．．94，0950()3(2005)．
[3] Z.-M．Sheng，K．Mima，and J．Zhang，to appear in Phys．Plasmas(2005)．