江蘇雷射聯盟導讀：
強大的太赫茲電磁瞬態效應為科學和應用開闢了一個新的視野。本文綜述了大多數先進的獲得具有極端場強度的亞周期太赫茲脈衝的途徑。在雙色中紅外和遠紅外超快雷射脈衝的非線性傳播過程中，可以獲得長且厚的等離子串，此處強的光電流會導致強烈的太赫茲瞬態。
強大的太赫茲電磁瞬態效應為科學和應用開闢了一個新的視野。本文綜述了大多數先進的獲得具有極端場強度的亞周期太赫茲脈衝的途徑。在雙色中紅外和遠紅外超快雷射脈衝的非線性傳播過程中，可以獲得長且厚的等離子串，此處強的光電流會導致強烈的太赫茲瞬態。相應地THz電/磁場強度可以潛在的分別達到千兆伏/釐米和千特級。這些THz場的強度可以促使極端的非線性光學和相對論性物理學的應用和研究。本文則對以上給予了綜合性的綜述，從中紅外和遠紅外超短雷射脈衝的光-物質的相互作用的微觀物理工藝開始，到這些雷射場的非線性傳播的理論和數值模擬的先進性，到今天最為重要的實驗展示結果。
一個可以減少生成強大的太赫茲波的成本和複雜性的實驗技術可以對很多領域產生有益的效果，如無線通信。來自希臘赫拉克利翁（Heraklion, Greece）的 IESL-FORTH機構的Stelios Tzortzakis及其同事綜述了關於理解和優化利用超快雷射脈衝工藝來產生電離氣體進入細絲等離子體天線的相關工作。仔細的混合雷射頻率可以促使細絲來發射太赫茲輻射，其帶寬和功能的強大足以穿過建築物和牆壁而不會對人體的健康產生危害。理論和實驗研究結果則強調了採用具有特殊波長的雷射源可以提高太赫茲發射的功率轉換效率和在空氣中的長程傳播效果。同現有的技術相比較，控制頻率混合的改進的相關項目正在開展中以提供使得太赫茲的輸出功率能夠得到數量級別的提高。
THz的頻率範圍處於電磁波譜的最後的空隙中，此處發射這一頻率的光源幾乎沒有。在通常的理解中，THz的頻率範圍為0.1 到 10 THz，或者等效的，其波長為3 mm 到 30 μm，在光譜中THz的部分被壓縮在電子光頻率和光子光頻率的高頻率的主要區間內。而大量的強大的微波源存在於高頻率的電子和高能量的雷射覆蓋了光子所需要的部分，此處在當前沒有容易的，直接的辦法來產生同強大的THz場。
雙色燈絲產生THz的典型的裝置示意圖
THz頻率的波普範圍之所以吸引人們的關注是多方面的原因造成的。首先，THz波可以穿透大量的不同的材料，如塑料/植物/混凝土/木材和紙張而不會受到損失。然而，同Ｘ射線不同的是，THz光子的能量，處於幾meV的數量級範圍內，這一能量太低了，以至於不能直接的媒介中擾亂任何的化學鍵或導致電子躍遷和破壞它。結果，THz的發射就成為同影像和診斷領域所用的諸如醫療／工業質量控制／食品檢測和藝術品鑑定中非常感興趣的課題。然而，大量的在微觀水平所發生的工藝過程，在時間特徵層面同THz頻率是相關的，例如，在大分子（核酸類，蛋白質，合成聚合物等）的旋轉和振動中，晶格的振動和自由載體運動。因此，THz波在物質的基礎研究中就扮演者重要的角色，並在光譜學和材料的控制等方面取得了重要的應用，包括超快電場和磁場的轉換，這一速度比傳統的電子要快得多。此外，有一整套應用是直接依賴強烈的高能的THz場，例如，桌面型的THz電子加速器或THz增強阿秒脈衝的生成等。
雙色燈絲產生THz的機理
儘管現存的需要是急需強烈的 THz發射，現有的可以產生功能強大的 THz源卻非常少。在當今，有兩個主要的技術可以在桌面產生強度比較大的 THz場：在電－光晶體中的光學整流和在氣體和液體中的雙色燈絲。通過光學整形產生THz時 ，一個在秒級的非線性晶體通過超快雷射脈衝來進行泵浦，在較寬的脈衝光譜中的不同的光譜組件混合的不同頻率可以產生拍偏，從而提高在THz光譜範圍內的發射。反過來，雙色燈絲是基於由基礎輻射及其第二諧波所組成的雷射脈衝進行離子化介質而產生的。因此，自由電子生成的等離子體振蕩在驅使雷射場和發射出電磁波。通過適當的選擇基礎相和二次諧波脈衝的相，就有可能打破場的對稱性和促使電子來產生一個殘餘的光流振動在THz的頻率範圍內。
在以上提到的兩種技術中，光學整形可以允許產生的 THz脈衝能量最高可以達到0.9 mJ，高的THz轉換效率（THz能量與輸入的雙色雷射脈衝的能量的比值），最高可以達到 3.7%。比較遺憾的是，由於雷射強度所造成的不可避免的非線性晶體中的光損失使得進一步的提升THz能量存在巨大的困難。此外，光學整形所產生的THz脈衝，其頻譜非常的窄（其寬度小於5 THz），於是，就比較長（相應的脈衝停留時間大約為幾個皮秒）。另外一方面，通常的雙色燈絲在近紅外雷射脈衝時可以提供相對比較小的能量（在氣體中最高為30 μJ，在液體中最高為 80 μJ），且THz的轉換效率比較低，通常接近0.01%。無論如何，由於氣體和液體介質可以覆蓋兩個雷射激發，光損傷問題就變得無關緊要了。而且，雙色燈絲可以允許產生超短的在飛秒持續時間的單循環 THz 和光譜帶寬超過 50 THz。因此，儘管能量比較低，這些THz脈衝可以具有非常高的強度。而且，雙色燈絲可以使得遠程產生 THz成為可能，同時可以避免了諸如在大氣／水蒸氣中 THz較高吸收的問題。
此外，光學整形和雙色燈絲所產生的THz具有不同的發射模式。同光學整形不同，雙色燈絲所產生的THz發射的空間輪廓重複著雷射束泵浦的形狀，雙色燈絲所產生的THz輻射發射是一個錐形，其角度取決於等離子通道的厚度和它的長度。
儘管目前流行的可用的高功率雷射系統運行在近紅外的波長範圍內，光學整形和雙色燈絲的大多數實驗是在近紅外脈衝範圍內開展的。光學整形的泵浦的波長選擇主要由可行的非線性晶體的相匹配性質所支配，其雙色燈絲的雷射源波長可以自由的選擇。考慮到有許多的參數控制著雷射場中離子化的物理過程和電子的運動，取決於它的波長。我們可以假設一定的雷射波長可以是對雙色燈絲是有益的。特別的，自由電子的有質動力在長波長時將會產生強的光流，緊接著，更強能量的 THz 產生。然而，為了製造長且緻密的有利於THz生成的等離子通道燈絲，雷射脈衝的峰值功率應該超過克爾透鏡自聚焦（ Kerr self-focusing）的臨界點，否則，足夠緻密的等離子只能通過緊密的聚焦的雷射脈衝來產生和只能在焦點產生。反過來，由於克爾透鏡自聚焦的臨界點是在波長平方的尺度範圍，直到最近，關於雙色燈絲在中紅外和遠紅外光譜範圍內的部件的雙色燈絲的研究幾乎被禁止，這是因為需要的光功率比較高的緣故。
空氣的分散
光參量啁啾脈衝放大器（optical parametric chirped-pulse amplifiers ）的新的生成技術的先進性的每一個改變，使得輸送高峰值功率的亞100 fs的脈衝在3.9 μm的中心波長成為可能。最近的新的高功率脈衝CO2雷射的先進進步為太赫茲的研究起到了促進作用。這一新出現的雷射系統，在氣體中雷射燈絲的研究延伸到中紅外和遠紅外光譜範圍內。第一個長波長的燈絲實驗揭示了大量的獨特的非線性空間－時間波長的動力學的獨特範圍和展示了許多不同尋常的從氣體介質到中紅外到遠紅外雷射發射的非線性光的反應。我們可以非常容易的期待這些奇特的雷射－材料的相互作用將會反映通過雙色燈絲在長波長雷射脈衝範圍內THz輻射的生成。
在這裡，我們綜述了在氣體中的雙色燈絲產生的長波長雷射輻射的相互作用的先進的實驗和理論進展，顯示了作為產生極端強大的THz波的光源的巨大優勢。我們也仔細的分析了複雜的非線性光響應對氣體介質在中紅外和遠紅外輻射時產生THz的工藝以及產生強烈的和更加強大的THz場的所需要的條件。同時在對當前的中紅外和遠紅外雙色燈絲的非線性傳播的當前研究 做了介紹之後，對理論分析也做了介紹。