在激光等離子體中產生的超強太赫茲輻射

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用前景。THz成像技術和應用中輻射源的產生和檢測技術是兩個關鍵問題。目前迄今為止，對有關THz輻射的產生人們提出了多種多樣的方案，但缺少高功率、低價和小型的THz輻射源仍然是目前這項技術應用的重大障礙。

等離子體作為一種非線性介質，因為沒有非線性破壞閾值，具備產生超強THz輻射的可能性。目前人們提出了一些以等離子體為介質通過超短激光脈沖作用產生THz輻射的方案，其中包括在磁化等離子體中通過激光尾波場(一種電子等離子體波)激發產生的Cerenkov輻射、通過激光尾波場加速電子(穿過介質和真空界面)產生的渡越輻射、由超短激光脈沖在氣體介質中傳播時通過光電離引起的頻率下轉換、超短激光脈沖在部分電離氣體和介質表面中通過有質動力驅動電流產生的輻射、以及我們最近提出的通過在不均勻等離子體中激發激光尾波場，通過線性模式轉換產生的寬帶超強輻射機制。在這個報告中，我們將介紹上述幾種方案的機制以及最新的進展。

在我們提出的這種輻射機制中，首先由超短強激光脈沖注入到氣體介質中激發大振幅的等離子體波。要求這個氣體介質的密度分布是不均勻的，它可以由氣體噴嘴產生。激光入射方向與密度梯度有一個夾角。在這種條件下，激發的等離子體波隨著時間的演化會自動產生線性模式轉換，由此產生定向的相干電磁輻射。我們用線性模式轉換理論計算給出的輻射譜和轉換效率與用粒子模擬方法通過數值模擬得到的結果完全一致。研究表明，其能量轉換效率正比于入射激光強度、產生頻率轉換的等離子體尺度、以及轉換頻率比(ω/ω₀)³。這里ω和ω₀分別是產生輻射中心頻率(接近于入射激光脈寬的倒數)和入射激光的頻率。對于聚焦強度在3.4x 10¹⁷W／cm²的入射激光(國內多個實驗室己可達到)，其能量轉換效率容易達到10^-4或更高。在密度為10¹⁸cm^-3。(對應的等離子體頻率為(ω_p／2π=9THz)等離子體中可以產生的尾波場的電場振幅達到100 GV／m，因此通過線性模式轉換產生的THz輻射的電場強度可達到幾個GV／m，這是目前用任何其他已知方法都不能產生的。除了用這種方案來產生THz輻射，我們還可以用這種輻射來探測等離子體波的激發。后者對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)．