导读

近期，澳大利亚斯威本科技大学、法国波尔多大学与日本宇都宫大学的研究人员合作，在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Fine 3D control of THz emission in air with dual femtosecond laser pre-pulses at tunnelling ionisation regime”的研究论文。

该研究团队开发了一种新颖的方法，使用两个预脉冲和一个主脉冲来操纵空气中的等离子体和密度分布，这项技术不仅使THz辐射强度增加了15倍，还实现了对其偏振状态的精确三维调控。此外，研究揭示了THz辐射产生过程的感应电流无法在等离子体中产生，这一发现颠覆了先前的理论认知。该研究为高性能THz源的开发提供了新的思路和方法，有望在医疗成像、安全检查、无线通信等领域带来重要应用。

太赫兹辐射在频谱上位于微波与红外线之间，其具有频率高、脉冲短、穿透性强的特点，在生物成像、通信等领域具有广泛的应用前景。然而，如何高效地产生和精确地调控THz辐射一直是科学界面临的挑战。

该研究创新性地采用“三脉冲”方法来增强和控制THz辐射。如图1所示，首先，两个较弱的预脉冲同时被发射到空气中的特定位置，在空气中产生等离子体和冲击波，从而改变局部空气密度。约9.7 ns 后，一个能量更强的主脉冲被发射到预处理区域。主脉冲与压缩空气相互作用，产生密度分布不对称的等离子体，从而对THz的强度和偏振特性产生影响。精确控制预脉冲的位置和时间可以调节所产生的THz辐射的强度和偏振特性。这种方法利用了空气中的非线性效应，实现了对THz辐射的高效产生和精确调控。

图1：三脉冲作用与检测装置示意图

采用“三脉冲”增强THz辐射

研究团队创新性地采用“三脉冲”方法（两个预脉冲+一个主脉冲），显著增强了THz辐射的强度，使得脉冲强度提升至15倍。这一突破为开发高效率THz源提供了新的路径。

精确调控THz辐射

基于上述实验装置，研究人员通过精确调整预脉冲的三维空间位置，实现对THz辐射强度和偏振状态的精确调控，检测结果如图2所示。这一技术为开发可调谐的THz源提供了可行性，有望在互连通信等领域实现重要作用。

图2：预脉冲空间位置对于THz辐射的影响

揭示THz产生过程的新机理

与之前认为的THz辐射起源是等离子体中电荷分离产生的电流不同，本研究明确了这种电流无法在等离子体中生成，同时揭示了THz辐射实际上是由等离子体中电场不对称产生的旋转电流（Biermann battery 效应）形成。该发现加深了我们对超短脉冲与物质相互作用机理的了解，填补了THz技术的理论基础。

研究意义

本研究在理解THz辐射方面提出了新的技术与理论，对于我们在THz领域的认识具有重要价值，也将为需求日益增长的高效THz源提供新的解决方案。未来的研究可能基于此工作，进一步探索磁场转换效率、电子温度等对于增强THz辐射的新方法，使得THz辐射在更多领域发挥更重要的作用。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.030