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利用等离子体细丝产生太赫兹辐射 |
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作者：D. Jason Palmer 来源：激光世界 |
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目前，太赫兹辐射技术的发展如火如荼，对于太赫兹研究而言，最为重要的是利用现有的光子技术发明一种新的太赫兹源。法国研究人员发明了一种能产生太赫兹辐射的新技术：将飞秒激光在空气中聚焦形成细丝来产生前向太赫兹辐射。[1]
太赫兹波的产生之所以困难，很大程度上缘于太赫兹波的特定频率——低于通常的光波频率但高于电子技术使用的频率。目前较为成功的一种方法是利用非线性光学效应，使激光器输出波长的基频和二次谐波产生相互作用，形成等离子体和太赫兹辐射。但是，该方法对光路的调整精度和长度要求相当高，因此使其应用受到了限制。
单束飞秒激光可以产生长距离传输的细丝。飞秒激光可以产生折射率依赖强度变化的自聚焦效应，当激光强度达到一定值后，多光子电离空气将导致光束自散焦。当自聚焦和自散焦达到动态平衡之后，将产生即使经过长距离传输，强度仍然保持不变的窄细丝（如图）。 
图：激光强度约为5×1013W/cm2，产生的等离子体细丝直径约为100祄，右图为距离激光器50m处的光斑。
2001年科学家曾预测，可以利用等离子体尾线在径向产生太赫兹辐射[2]，并在2003年证实了该项预测[3]。根据这一预测，法国巴黎综合工科学校的Andre Mysyrowicz和他的同事使用Teramobile激光器（一种因产生寿命较长的导电细丝而闻名）获得了用于产生太赫兹辐射的细丝。Andre Mysyrowicz表示：“科学家曾预测可以在径向产生细丝，我们在实验上首次证实了这一预测。”他们还发现，在光束传播方向上细丝为锥状辐射，随后，他们与法国波尔多大学合作，对这一现象进行了理论解释。
切伦科夫式辐射
研究人员假设细丝在尾部产生弱电离等离子体，等离子体电离前沿的后部产生空间电荷（传播速度等于光速），从而产生切伦科夫式太赫兹辐射。根据此项假设，研究人员预测辐射峰值应该在1~5THz之间，目前该研究小组只在0.1THz处测到了辐射。也有证据表明，太赫兹激光的脉冲宽度沿细丝方向变短。
德国法兰克福大学的研究人员Hartmut Roskos是利用光整形方法获得太赫兹辐射的先驱，他对这一结果非常感兴趣。他认为：“如果使用100～200fs的长脉冲，经过一段距离传输后，脉冲宽度将缩短到10fs，这是非常有意义的，因为这意味着可以产生高带宽的太赫兹脉冲。但是，这种方法具有很大的局限性，因为它很难将锥状的太赫兹辐射收集并加以利用。”
该研究小组目前已经提交了初步的研究成果，下一步工作的关键是对这种方法产生的脉冲光谱特性和时域特性进行分析。目前研究小组已经在不同气体中进行了实验，结果表明空气中辐射最强。Mysyrowicz表示：“这一成果解决了一直困扰着太赫兹应用的问题——太赫兹辐射由于水汽影响在空气中将经受很强的衰减。太赫兹辐射在空气中的损耗约为100db/km。而且，对目前的方法进行简单调整可以使前向太赫兹辐射强度增加一个数量级。具体技术将在研究小组的论文发表后公布。”
使用细丝作为太赫兹源的最大特点是细丝的长距离传输特性。Mysyrowicz认为：“对于细丝而言，几千米的长距离传输是轻而易举的，这相当于将太赫兹源放在位于激光器千米之外的目标附近。”
Mysyrowicz正在考虑该项技术的应用，他认为：“通过太赫兹波可以对目标进行成像，这种长距离成像在医学或安全领域均具有重要意义。”
参考文献
1. D’Amico et. al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007).
2. Cheng et. al., Phys. Rev. Lett. 87, 213001 (2001).
3. G. MEhain et. al., Appl. Phys. B 77, 707 (2003). (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/24/2008) |
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