盛政明  張杰

中國(guó)科學(xué)院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室，北京100080

 
        太赫茲輻射(THz)在材料光譜分析、斷層攝影成像、生物材料表征等方面有廣泛的應(yīng)用前景。THz成像技術(shù)和應(yīng)用中輻射源的產(chǎn)生和檢測(cè)技術(shù)是兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前迄今為止，對(duì)有關(guān)THz輻射的產(chǎn)生人們提出了多種多樣的方案，但缺少高功率、低價(jià)和小型的THz輻射源仍然是目前這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的重大障礙。

        等離子體作為一種非線性介質(zhì)，因?yàn)闆](méi)有非線性破壞閾值，具備產(chǎn)生超強(qiáng)THz輻射的可能性。目前人們提出了一些以等離子體為介質(zhì)通過(guò)超短激光脈沖作用產(chǎn)生THz輻射的方案，其中包括在磁化等離子體中通過(guò)激光尾波場(chǎng)(一種電子等離子體波)激發(fā)產(chǎn)生的Cerenkov輻射、通過(guò)激光尾波場(chǎng)加速電子(穿過(guò)介質(zhì)和真空界面)產(chǎn)生的渡越輻射、由超短激光脈沖在氣體介質(zhì)中傳播時(shí)通過(guò)光電離引起的頻率下轉(zhuǎn)換、超短激光脈沖在部分電離氣體和介質(zhì)表面中通過(guò)有質(zhì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的輻射、以及我們最近提出的通過(guò)在不均勻等離子體中激發(fā)激光尾波場(chǎng)，通過(guò)線性模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的寬帶超強(qiáng)輻射機(jī)制。在這個(gè)報(bào)告中，我們將介紹上述幾種方案的機(jī)制以及最新的進(jìn)展。

        在我們提出的這種輻射機(jī)制中，首先由超短強(qiáng)激光脈沖注入到氣體介質(zhì)中激發(fā)大振幅的等離子體波。要求這個(gè)氣體介質(zhì)的密度分布是不均勻的，它可以由氣體噴嘴產(chǎn)生。激光入射方向與密度梯度有一個(gè)夾角。在這種條件下，激發(fā)的等離子體波隨著時(shí)間的演化會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生線性模式轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生定向的相干電磁輻射。我們用線性模式轉(zhuǎn)換理論計(jì)算給出的輻射譜和轉(zhuǎn)換效率與用粒子模擬方法通過(guò)數(shù)值模擬得到的結(jié)果完全一致。研究表明，其能量轉(zhuǎn)換效率正比于入射激光強(qiáng)度、產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換的等離子體尺度、以及轉(zhuǎn)換頻率比(ω/ω₀)³。這里ω和ω₀分別是產(chǎn)生輻射中心頻率(接近于入射激光脈寬的倒數(shù))和入射激光的頻率。對(duì)于聚焦強(qiáng)度在3.4x 10¹⁷W／cm²的入射激光(國(guó)內(nèi)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室己可達(dá)到)，其能量轉(zhuǎn)換效率容易達(dá)到10^-4或更高。在密度為10¹⁸cm^-3。(對(duì)應(yīng)的等離子體頻率為(ω_p／2π=9THz)等離子體中可以產(chǎn)生的尾波場(chǎng)的電場(chǎng)振幅達(dá)到100 GV／m，因此通過(guò)線性模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的THz輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到幾個(gè)GV／m，這是目前用任何其他已知方法都不能產(chǎn)生的。除了用這種方案來(lái)產(chǎn)生THz輻射，我們還可以用這種輻射來(lái)探測(cè)等離子體波的激發(fā)。后者對(duì)新型粒子加速器的研究具有重要意義。
 
[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)．