引言

太赫兹具有“指纹”分析、穿透性、渡越性等特性^[1-2], 它的独特属性使其在很多领域有着不可估量的应用前景, 如生物医学、通信、天文学等^[3-4], 因此太赫兹波一直备受人们的广泛关注。目前产生太赫兹辐射有很多种方法, 如光整流效应、光电导天线等^[5-8], 其中超快激光与气体介质作用成丝产生太赫兹波的方法不受介质损伤阈值的限制, 使用起来更加方便。随着超快激光的发展, 超快激光与空气介质相互作用形成等离子体拉丝产生高效太赫兹辐射已成为一个重要的辐射方式^[9-10], 该方法获得的太赫兹波具有强度高、相干性好、频谱宽、可调谐等诸多优点。单色超快激光场与气体介质作用产生的太赫兹波有一个显著的特点, 即所产生的太赫兹波是径向偏振光, 它的偏振态关于光轴对称, 轴上光强始终为零, 对其聚焦后可产生轴向分量。这一特点引起众多研究人员的广泛关注, 并且在很多方面都发挥着重要作用, 如显微镜、电子加速、光学捕捉和控制、平顶焦场、三维光链以及材料加工等^[11]。本文将详述单色超快激光场与气体介质作用辐射太赫波的产生机制, 除此以外, 为了说明其在各个领域的发展和应用, 还介绍了增强辐射效率的几种方法。

1 单色超快激光与气体介质作用成丝辐射太赫兹波的机制

相比太赫兹光整流和光导天线太赫兹源的方法, 超快激光与气体介质作用成丝产生太赫兹波的方法不受介质损伤阈值的限制, 使用起来更加方便。1993年, Hamster等采用峰值功率为10¹² W和脉冲宽度为10^-13 s的超快激光电离大气, 得到了多种波段的电磁辐射, 其中包括太赫兹波辐射, 这是首次实现用单色超快激光场与气体介质作用形成等离子体产生太赫兹波的实验^[12-13], 其装置如图 1(a)所示。目前超快激光成丝产生太赫兹波主要是, 通过单色激光场与气体介质相互作用和双色激光场与气体介质相互作用, 这两种方法产生太赫兹波的机理各不相同, 其基本的产生方式如图 1所示。图 1(a)为用单色超快激光场与气体介质作用形成等离子体产生太赫兹波的装置, 实验中使用0.8 μm波长的飞秒激光通过聚焦透镜Lens(f₁)形成等离子拉丝, 最终辐射出径向偏振的太赫兹波; 图 1(b)为四波混频模型产生太赫兹辐射的一般实验装置图, 实验中同样使用0.8 μm波长的线偏振飞秒激光作为基频的激发光, 二倍频偏硼酸钡晶体(BBO)用于产生二倍频激光即0.4 μm波长激光, 飞秒激光依次通过聚焦透镜Lens(f₂)和BBO, 与气体介质相互作用产生等离子体拉丝, 最终得到线偏振太赫兹波。

对于单色激光与气体介质作用产生太赫兹辐射的产生机制, 直到现在仍然存在争议, 争议较大的几种模型大致有渡越-切仑科夫辐射模型、激光有质动力模型、轫致辐射模型等, 下面介绍几种关注较多的物理模型。

1.1 渡越-切仑科夫辐射模型

渡越辐射指的是匀速直线运动的点电荷在不均匀的条件下产生的辐射。切伦科夫辐射指的是带电粒子在透明介质中穿行的速度超过介质中的光速时所发出的一种辐射。

渡越-切仑科夫辐射是由D’Amico等提出的一种模型, 是一种介于渡越辐射和切仑科夫辐射之间的效应^[14]。当强激光在空气中聚焦形成等离子体拉丝时, 激光脉冲会使空气产生弱电离, 电离产生的自由电子和离子在等离子体拉丝的这种不均匀介质中会产生渡越辐射。另外, 电离形成的自由电子和离子之间会相互碰撞, 在一个大气压下, 它们的碰撞时间约为0.1~0.2 ps, 而等离子体的振荡频率为

(1)

式中:N_e为电荷数; e为电荷; ε₀为真空中的介电常数; m_e为电子的有效质量。其对应的振动周期为^[14]

(2)

这可以大致描绘为:一个电偶极子尾随着激光脉冲在前进, 电偶极子传播的速度v等于激光脉冲在空气中的传播速度c, 即v=c; 但是, 光的相速度小于其在空气中的传播速度c, 从而产生切仑科夫辐射^[15]。

一般情况下, 类偶极子长度l的数量级相似于等离子体衰减长度(约为30~100 μm), 比辐射波长(如以1 THz来计算, 其波长为300 μm)小很多, 由于损耗因子为(l/λ)^2[14], 因此会很大程度降低太赫兹波的辐射效率, 太赫兹波在等离子体中的折射率近似为1, 这也将会降低切伦科夫辐射的效率。

1.2 激光有质动力模型

有质动力是带电粒子在非均匀电磁场中受到的一种非线性作用力。在均匀电磁场中, 各处的电场振动幅度是相同的, 带电粒子在场中经过一个周期后将会回到原始位置。但是, 在非均匀电磁场中, 有质动力会把带电粒子推向电场较弱的区域^[16]。有质动力的表达式为

(3)

式中:e、m分别为带电粒子的电荷量和质量; ω_e、E是电磁场的振动频率和振幅。带电粒子在非均匀电磁场中以电磁场频率ω_e振动, 电磁场的强度越大, 有质动力越大。

20世纪90年代, Hamster等^[13]首次提出了将亚皮秒强激光脉冲在空气中聚焦, 使空气在焦点处电离空气介质产生带正电的正价离子和带负电的自由电子, 激光有质动力使离子和电荷之间形成较大的密度差, 而这种电荷分离将导致强有力的电磁瞬变, 辐射出太赫兹波。利用泊松公式和拉莫尔旋进公式可以估测拉丝辐射出的红外能量P(能量级大概是MW)^[17], 其满足

(4)

式中:W为激光能量; R₀为激光聚焦之后的光束直径; λ为激光波长; τ为激光脉冲长度。

1.3 轫致辐射模型

轫致辐射是指高速电子骤然减速产生的辐射, 泛指带电粒子在碰撞过程中发出的辐射, 即当带电粒子通过介质时, 因与介质中原子或原子核作用而减速产生的辐射称为轫致辐射, 例如一个高能电子与一个原子核相碰撞时所产生的辐射。如果一个自由电子在原子核的电场作用下从一种自由状态过渡到另一种自由状态, 则辐射光子的频率满足

(5)

式中:m_e为电子质量; v_e和v′_e分别为自由电子发光前后的运动速度; h为普朗克常量。自由电子辐射频率是连续的, 自由电子辐射能量导致其速度下降, 动能减少。轫致辐射是高能(＞1 GVe)电子通过物质时能量损失的重要方式。

根据轫致辐射模型, 由基波的高强度激光和周围原子相互作用, 导致隧道电离^[18-19], 电离过程中会形成一些波包, 这些波包在激光有质动力的驱动下快速移动。这些快速移动的波包以量子化的速度离开母体原子, 在离开的过程中与周围的事物(例如中性原子等)碰撞形成了轫致辐射, 辐射出太赫兹波^[20]。

2 提高太赫兹辐射效率的若干方法

单色超快激光与气体介质作用产生太赫兹辐射效率的提高有很多方法, 在单色激光诱导形成拉丝的基础上, 可以通过在拉丝周围外加纵向电压^[21]、外加横向电压^[22]、双拉丝^[23]等方法获得更强的太赫兹波。这些方法不需要复杂的光学元件和光学晶体, 不需脉冲之间的精确对齐或相位调整, 因此这些方法可以运用到更多的太赫兹技术应用中。除此以外, 这种简单装置产生的太赫兹源可以被放置在远距离目标上, 能够有效解决太赫兹波在远距离传输中空气水蒸气对太赫兹波吸收严重这一问题, 可以为接下来更多的探究奠定一定的基础。

2.1 在拉丝周围外加纵向电压提高太赫兹波的辐射效率

对于纯粹的渡越-切仑科夫辐射, 拉丝内部激光脉冲形成的有质动力产生了一个静电场, 外加纵向电场可以与该静电场叠加, 达到增大太赫兹辐射的效果, 其装置如图 2所示。在单色激光诱导的拉丝上加纵向电压, 即利用脉冲能量一定的单色激光, 通过聚焦形成等离子体拉丝, 并利用两个尺寸不同的电极给拉丝两端加上横向电压^[21]。

实验结果表明, 这种外加直流电压的方法可以使得渡越-切仑科夫太赫兹辐射增强三个数量级。假设等离子体可以看作是一个半径为ρ₀的圆柱形, 等离子体的电子密度为n_e, L为等离子体的总长度。E_L为激光有质动力驱动的等离子体波的振幅, 则其可以表示为

(6)

式中:e为电荷; ω_pe为电子等离子体频率; I₀为激光脉冲的最大强度; m_e为电子有效质量; ε₀为真空中的介电常数; c为真空中的光速; ω₀为激光频率。

E_e是外加电压的纵向成分, 可以表示为

(7)

式中:V为外加纵向电压; Δd为所加前后两电极的直径差值; D为前后电极的间距。通过激光有质动力产生的电流j_z^w可以表示为

(8)

式中:ω为激光频率; ω_pe为电子等离子体频率, 可以表示为

(9)

v_e为电子碰撞频率, 可以表示为

(10)

τ_L为激光脉冲的持续时间。外加电场产生的电流j_z^e可以表示为

(11)

因此, 电子电流频率取决于j_z=j_z^w+j_z^e, 其中j_z^w取决于泵浦激光, j_z^e取决于外加横向电场。本文主要讨论的是低频0.1 THz的能量, 如果外加电压足够高的话, 太赫兹辐射的放大效果可以达到三个数量级, 即外加纵向电场能够有效提高太赫兹的辐射效率。

文献[22]提到的外加电压的方式和文献[21]相似, 都是在单色激光诱导形成拉丝的基础上在拉丝周围外加电压, 不过所加的电场方向不同, 分别是外加横向电场和外加纵向电场。在拉丝周围外加纵向电场可以使太赫兹波的能量增大三个数量级, 文献[21]中还提到, 增大之后的太赫兹波的偏振状态和不加电场时的状态是一样的; 在拉丝周围外加横向电场的方法同样可以使得太赫兹波能量增加三个数量级, 但是文献[22]中提到, 增强后的太赫兹脉冲的辐射角度和偏振状态均有一些改变。

2.2 产生单色场双拉丝来提高太赫兹波的辐射效率

在单色激光诱导形成拉丝的基础上, 采用双拉丝的方法可以使得太赫兹辐射增大一个数量级, 增强后的太赫兹波的发散角度和偏振状态都有所改变, 其装置和效果图如图 3所示, 即通过使用了两条飞秒激光脉冲, 分别在空气中形成两条重叠的拉丝, 并认为第一个和第二个脉冲分别经过渡越-切仑科夫辐射产生太赫兹波, 然而有趣的是, 最后产生的太赫兹信号比两个脉冲单独形成的太赫兹波信号相加的和至少大了一个数量级^[23]。这种方法一般适用于初始光的强度较弱的情况, 当初始光过强时反而不能增强, 即如果通过产生单色场双拉丝的方法来提高太赫兹波的辐射效率, 那么对于初始光要有一定的限制, 具体的限制需要根据实验装置的参数来定, 在文献[24]中作者使用的初始光的能量为300 mJ。对比之前的放射状偏振, 放大后的太赫兹波几乎是严格线性偏振的, 其偏振方向并不依赖激光脉冲的偏振状态, 它最大的辐射强度沿着激光传播的方向。针对这种现象, 根据种种假设和验证, 最后提出了一种比较合理的解释。首先, 沿着激光光束的传播方向, 太赫兹的圆锥形辐射角度有一个最大的角度限制, 即

(12)

式中l为拉丝长度。对比单条拉丝的纵向电流辐射, 双拉丝辐射的太赫兹信号和拉丝的长度l成线性关系, 参数l为20 cm、波长λ为3 mm, 这使得太赫兹信号的增强因子为10。其次, 两个激光脉冲的最大延迟也是太赫兹信号增强的一个原因, 这可以用第一个等离子体拉丝的生命周期来解释。最后, 太赫兹波总的发射时间依赖于拉丝的长度和尺寸大小。最大的太赫兹信号被等离子体波的总能量限制, 可以表示为

(13)

式中:E_p为单脉冲诱导的等离子体波振幅; a为拉丝的线半径。这种方法产生的小角度太赫兹波类似于渡越-切仑科夫机制从激光诱导形成拉丝产生的太赫兹辐射, 这种方法简单并且灵活, 可以产生高效的太赫兹波, 有助于太赫兹波在各个领域的应用, 例如太赫兹断层摄影技术等。

3 结论

本文从超快激光成丝辐射太赫兹波的方法出发, 详述了单色超快激光成丝产生太赫兹辐射的产生机制, 讨论了如何提高太赫兹的辐射效率。对于单色激光与气体介质作用产生太赫兹辐射的产生机制, 争议较大的几种模型大致有渡越-切仑科夫辐射模型、激光有质动力模型、轫致辐射模型。这几种产生机制模型仍存在很大的争议, 虽然目前不能确定单色超快激光成丝产生太赫兹辐射的机制到底是什么, 但是有一种主流解释用于理解太赫兹波的辐射机制。对于单色场法, 更多的学者认为是切仑科夫辐射的结果^[24]。在拉丝周围外加纵向电压、外加横向电压、双拉丝的方法都能获得更强的太赫兹波, 对比单色场增强太赫兹辐射效率的方法可以发现, 单色超快激光成丝产生的太赫兹辐射对横向和纵向电场都非常敏感, 在一定条件下, 外加电压的方法可以使得太赫兹能量增加三个数量级, 并且太赫兹脉冲的辐射角度、偏振状态都有一些改变。对比外加电压的增强方法, 双拉丝法放大后的太赫兹波几乎是严格线性偏振的, 它的偏振方向并不依赖激光脉冲的偏振状态, 它最大的辐射强度沿着激光传播的方向。

综上所述, 对于单色激光与气体介质作用产生太赫兹辐射的产生机制, 直到现在仍然存在争议, 仍需要更多的实验论证和理论分析。目前为止, 在单色激光诱导形成拉丝的基础上, 提高单色激光与气体介质作用成丝产生太赫兹辐射效率的方法有很多, 每种方法都有各自的特点, 可以根据需要选择不同的方法。单色超快激光场与气体介质作用成丝产生的太赫兹波已成为一个重要的辐射方式, 该方法获得的太赫兹波具有强度高、频谱宽、可调谐、相干性好等诸多优点, 相信在所有学者不断的探索和研究下, 对太赫兹波的认知会有更多的进展。