上海交大團隊研究強雷射驅動的寬帶強太赫茲輻射的偏振態控制獲進展

2020-12-06 上海交通大學新聞網

太赫茲波是頻率介於微波與紅外之間的電磁輻射，大量有機大分子的振動和轉動能級都落在這一範圍，這預示著太赫茲輻射在生物醫療、材料科學等領域具有廣泛的應用前景，被認為是「改變未來世界的十大技術之一」。產生頻譜、偏振、功率等參數可調的太赫茲輻射是實現其廣泛應用的前提，也是過去10多年人們一直在努力探索的課題。

在空氣中傳輸的雷射，當其光強達到一定閾值時，會電離空氣中的氮氣和氧氣等分子形成等離子體，這種等離子體是很好的寬帶太赫茲輻射源。利用雙色雷射場在空氣中激發等離子體是目前產生超寬帶太赫茲脈衝最有效的方法之一，其頻譜寬度甚至可達到50 THz。該機制在過去10多年得到了廣泛的研究。在前期工作中，上海交通大學物理與天文學院雷射等離子體實驗室盛政明、陳燕萍負責的太赫茲研究團隊提出並驗證了他們發展的偶極陣列輻射模型，據此實現了對太赫茲輻射角分布、載波包絡相位、脈衝能量等的有效操控 [PRL 117, 243901 (2016)]。但迄今人們仍然沒有實現對寬帶太赫茲輻射的偏振狀態的精密操控。常規的光學手段如波片等受限於材料特性，其有效光譜帶寬和透過率等都不盡人意。特定的偏振態譬如圓偏振，對手性分子或者材料研究具有特別的意義。

雙色雷射場激發等離子體光絲輻射太赫茲波的實驗裝置、太赫茲偏振狀態的實驗和模擬結果

雷射等離子體光絲中「空間線性偶極陣列」輻射橢圓偏振太赫茲波的物理圖像

最近，該研究團隊利用飛秒雷射裝置，通過操控激發等離子體的雙色雷射場，突破傳統偏振控制元件的帶寬限制瓶頸，首次實現了對雷射等離子體輻射的寬帶強太赫茲脈衝偏振狀態的靈活操控。實驗上，他們使用圓偏振的基頻光和線偏振的倍頻光組成的雷射雙色場，獲得了圓形太赫茲偏振變化域，通過控制雷射等離子體通道長度、雷射雙色場相對相位和基頻光偏振手性實現了對寬帶太赫茲輻射偏振橢圓率、偏振方向角、偏振手性等參數的獨立調控。理論上建立了「空間線性偶極陣列」的宏觀模型，該模型中等離子體光絲各個部分的自由電子具有不同的動量分布，於是沿著光絲形成一系列具有不同振蕩幅度和振蕩方向的太赫茲輻射偶極，這些偶極輻射的太赫茲波在遠場相干疊加，形成了具有特定偏振狀態的太赫茲脈衝。該模型的預測與實驗觀測結果相一致，為寬帶太赫茲輻射的偏振操控技術奠定了基礎。該研究有助於推動寬帶太赫茲波在材料分析、結構生物學、遙感和通信等領域的廣泛應用。相關工作於2018年8月發表在Nature Photonics [12, 554 (2018)]上。

該項研究得到了國家科技部重點基礎研究發展計劃（No. 2014CB339801）、國家自然科學基金項目（Nos. 11474202、11655002、11774228和11721091）的資助。

論文連結：http://www.nature.com/articles/s41566-018-0238-9

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