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研究人员创造了世界上最强的电离太赫兹辐射
发布时间:2024-07-03 22:02:43 阅读:103

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 张思源 编译

(a)当被凹面金属镜聚焦时,在传播过程中的不同位置捕获的一系列15 THz光束轮廓。光斑尺寸小至43微米,全宽为焦点处的一半。(b)从固体目标发射的等离子体荧光,由强烈的太赫兹脉冲照射,并由相机捕获。(c)被电离太赫兹脉冲损坏的半导体表面的显微镜图像。
图片来源:Hyeongmun Kim 等人

    太赫兹波,称为非电离辐射,当足够多的太赫兹光子聚焦在空间和时间上时,就会变成电离辐射。由韩国和美国科学家领导的一个团队创造了世界上最强的太赫兹脉冲,可以瞬间电离原子和分子并将它们转化为等离子体。

    该研究发表在《光:科学与应用》杂志上,讨论了太赫兹驱动的隧穿电离,这将为等离子体中的极端非线性和相对论太赫兹物理学铺平道路。

    太赫兹(1 THz = 1012 Hz)位于电磁波谱的微波和红外区域之间,通过开发新的太赫兹源和探测器,太赫兹(1 THz = 1012 Hz)的差距正在迅速缩小,在光谱学、成像、传感和通信方面具有广阔的应用前景。

    这些应用从提供高能量或高平均功率辐射的太赫兹光源中受益匪浅。另一方面,高强度或强场太赫兹源对于观察或利用新的非线性太赫兹-物质相互作用至关重要,其中电场和/或磁场强度起着关键作用。

    由韩国光州科学技术研究所(GIST)先进光子学研究所的Chul Kang博士和美国马里兰大学帕克分校电子与应用物理研究所的Ki-Yong Kim教授领导的科学家团队创造了世界上最强的太赫兹场,其强度为260兆伏/厘米(MV/cm)或等效峰值强度为9 x 1013瓦/平方厘米(W/cm2)。

    该峰值场强或强度是迄今为止在太赫兹频率(0.1~20 THz)下达到的最高值,包括使用激光器、自由电子激光器、加速器和真空电子器件的所有类型的太赫兹源。

    为了产生高能太赫兹脉冲,科学家们使用150太瓦级的Ti:sapphire激光器将铌酸锂(LiNbO3)中的光能转换为太赫兹辐射(所谓的光整流),铌酸锂是一种表现出强非线性和高损伤阈值的晶体。特别是,他们使用大直径(75毫米)铌酸锂晶圆,也掺杂了5%氧化镁(MgO),以产生能量可扩展的太赫兹辐射。

    为了有效地从光辐射转换为太赫兹辐射,必须考虑另一个重要因素:相位(或速度)匹配。科学家们解释说:“如果产生太赫兹辐射的光学激光脉冲与铌酸锂中产生的太赫兹波以相同的速度传播,那么输出的太赫兹能量可以随着传播距离的延长而不断增长。”

    “传统上,倾斜脉冲前方法用于满足棱柱形铌酸锂的相位匹配。然而,这种方法主要产生低频太赫兹辐射,通常在小于1 THz时达到峰值,这自然导致相对较大的焦点尺寸(~mm),从而限制了焦点处的峰值太赫兹场强。

    该团队之前在铌酸锂中发现了一种新的相位匹配条件,它不需要任何脉冲前倾。他们指出,“太赫兹波的速度通常与频率有关,并且在两个声子共振频率之间变化如此之大,以至于存在太赫兹和激光脉冲以相同速度传播的频率。”

    “对于中心波长为15nm的 Ti:sapphire 激光脉冲,这发生在大约800THz处。这种相位匹配使得产生毫焦耳级的太赫兹波成为可能。此外,由此产生15-THz辐射可以紧密聚焦,有可能在焦点处产生强电磁场。”

    科学家们通过分别测量太赫兹能量、焦点大小和脉冲持续时间,仔细确定了焦点处的峰值电场和磁场强度,分别为 260±20MV/cm和87±7T。

    “如此强烈的太赫兹脉冲,当聚焦到气态或固体介质中时,可以使组成原子或分子隧穿,并将介质转化为等离子体。作为原理证明,我们已经证明了各种固体目标的太赫兹驱动电离,包括金属、半导体和聚合物,”他们强调说。

    “我们的太赫兹源使用平面铌酸锂晶体,有望进一步扩大输出能量和场强。这可以产生超强(~GV / cm)太赫兹场,”他们补充道。

    科学家们认为,他们的研究将开辟新的机会,不仅可以研究太赫兹产生的等离子体中的非线性效应,还可以将太赫兹驱动的悬动机用于各种应用,包括多keV太赫兹谐波的产生,甚至研究太赫兹加速电子的相对论效应。

 
 

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