来源：Ultrafast Science；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 周逸龙 编译

实验设置的方案。来源：Ultrafast Science

    飞秒激光脉冲诱导气体等离子体产生的强太赫兹（THz）波因其谱线带宽超宽、电场强度高和无材料损伤阈值等优点而受到广泛关注。然而，丝化过程中丰富的、多维的跨尺度光物质相互交织、相互作用、相互制约，这不仅使太赫兹辐射的物理机制受到争议，也限制了太赫兹波产生的优化技术。

    虽然双色激光场丝化产生的太赫兹波与空气等离子体密度呈正相关这一结论被引用最多，但南开大学刘伟伟教授课题组和北海道大学Hiroaki Misawa教授课题组的研究表明，1600 nm + 800 nm双色激光丝化过程中，太赫兹辐射强度和等离子体密度呈负相关。处于激发态的氮气分子的电子捕获被认为是等离子体密度下降的原因，而增强的太赫兹辐射则归因于较高的电子漂移速度。

    通过调节1600 nm和800 nm激光之间的时间延迟，测量等离子体密度，发现在零延迟附近有一个最小值。等离子体密度与太赫兹波辐射强度之间的负相关关系进一步揭示了太赫兹辐射强度在最小的等离子体密度下达到最大值。

    氮分子的电子能级是用DFT方法建模的。由于1600 nm激光的光子能量为0.78 eV，而氮分子的振动能量为0.2 eV，所以当电子能隙约为0.78±0.2 eV时，1600 nm激光可能引起共振。当氮气同时被1600 nm和800nm双色激光场激发时，电子将被送到LUMO+7能级。

(a) 丝状等离子体密度与双色场延时的关系(Δt1)； (b) 实验中产生的太赫兹效率作为Δt1 的函数用黑色实线表示，经验模型模拟的太赫兹相对强度用蓝色虚线表示。在z=2.7 mm处测量的不同延迟的自由电子密度用红色虚线表示。来源： Ultrafast Science

(a)计算了氮分子的电子能级；(b)净电流Jnet的变化作为Δt1的函数。来源：Ultrafast Science

    此外，LUMO+6和LUMO+7之间的能量差相当于1600 nm光子的能量。因此，1600 nm激光可能会诱发这两个能级之间的共振以捕获电子，从而导致了零延迟时等离子体密度的下降。值得注意的是，虽然当Δt1较小时，等离子体中的自由电子密度有一个最小值，但J_net仍有可能达到峰值，从而辐射出最高的太赫兹脉冲能量。由双色激光场加速的漂移速度已被证实在太赫兹脉冲产生过程中起主导作用。

    研究结果不仅阐明了电子漂移速度和等离子体密度在丝化太赫兹辐射中的相对重要性，而且指出了传统光电流模型的局限性。该结果对优化双色激光丝化产生强太赫兹波具有重要意义。此外，还提出了关于丝化过程中光学电离机制的新问题。

    该项研究发表在 Ultrafast Science中。