激光脉冲的高功率太赫兹发射的新模型

由于新的太赫兹源和检测器的开发高度增加，太赫兹（THz）的差距正在迅速缩小。

加速电子沿激光传播方向连续辐射相干的太赫兹发射，在远场产生宽带的多兆焦耳太赫兹辐射。图片来源：Taegyu Pak, Mohammad Rezaei-Pandari, Sang Beom Kim, Geonwoo Lee, Dae Hee Wi, Calin Ioan Hojbota, Mohammad Mirzaie, Hyeongmun Kim, Jae Hee Sung, Seong Ku Lee, Chul Kang, and Ki-Yong Kim。

基于激光的太赫兹源被认为是非常有意义的，因为它们有能力产生相干的、单周期到多周期和宽带（或窄带）辐射。

而且，这种源可以提供与驱动激光的自然同步，实现超快的时间分辨光谱和成像。近来，高功率飞秒激光器被用来产生强大的太赫兹辐射，以及检查新的太赫兹驱动的现象，如谐波生成、分子排列和电子加速。

由马里兰大学学院帕克分校的Ki-Yong Kim教授领导的研究小组开发了一个用于激光脉冲的高功率太赫兹辐射的新模型，该小组也隶属于韩国光州科技学院和基础科学研究所。

该研究已在《Light Science & Application》杂志上报告。

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在几种激光源中，基于激光-等离子体的激光源最适合于产生高功率太赫兹。等离子体已经被电离，因此可以承受高的电磁场，而且对材料的损害最小或不用担心。同时，高功率的激光脉冲被集中到一个小体积中，用于能量可扩展的太赫兹生成。

自Hamster等人的原始工作以来，从激光产生的气体和固体密度等离子体中产生的相干太赫兹已经得到了广泛的分析。

在气体中，单色或双色激光产生的等离子体可以通过超快的激光驱动电流产生相干的宽带THz辐射。就双色激光混合而言，通过使用中红外激光驱动器，激光到太赫兹的转换效率高达百分之一的水平。另外，从激光照射的高密度等离子体目标中注意到高能量的太赫兹辐射，这取决于固体和液体。

在最近，几十兆焦耳的太赫兹能量被注意到来自一个被高能量（约60焦耳）皮秒激光脉冲照射的金属箔。与气体靶材相反，高密度的靶材往往会带来靶材重装和靶材碎片的问题，这进一步使其不利于用于恒定或高重复率（>kHz）的操作。

激光湖场加速器（LWFA）是一种基于气态等离子体的紧凑型电子加速器方案，是宽带电磁辐射的另一个来源。在LWFA中产生的相对论电子束可以通过相干过渡辐射（CTR）离开等离子体-真空边界时释放太赫兹辐射。

当电子束的长度大小与发射的太赫兹辐射的波长相比或低于该波长时，这就发生了，由独立电子产生的太赫兹场在辐射方向上以相干的方式加起来。

研究小组注意到，从100兆瓦激光驱动的LWFA发出的多兆焦耳的太赫兹辐射，能量转换效率为0.15%。发射的太赫兹辐射已被径向偏振和宽带化，从而可能扩展到10太赫兹以上。

电子束属性（能量和电荷）与太赫兹输出能量之间发生的关联显示，高能量（>150MeV）的电子基本上不产生高功率的太赫兹辐射。相反，低能量但高电荷的电子可以产生更强的太赫兹辐射。

为了描述这一令人着迷的结果和多兆焦耳太赫兹的产生，研究小组提出了一个相干辐射模型，在这个模型中，由激光思量力和连续的等离子体波场加速的电子与激光传播方向一起连续辐射宽带发射，最终导致远场中相位匹配的圆锥形太赫兹辐射。

然而，这个模型需要通过更多的后续实验和分析或数值研究来证实或分析，以便对LWFA中的太赫兹生成有完整的认识，以及在未来改进高功率太赫兹应用的源。