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加速器/激光驱动强场太赫兹源研究进展

2014-06-16 09:21
Radow
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  直到上个世纪末,频率处于300GHz到10THz,或波长处于30μm至1mm的电磁谱才被广泛挖掘。THz脉冲是研究强场与可见光场作用下物质的动力学问题的理想工具。目前,两个主要的产生途径分别是:结构性电场对线性加速器产生的相对论自由电子的作用;强激光脉冲与稠密或气体电子系统的作用。

  加速器THz源由超短脉冲电子束的相干辐射产生。在加速器的迅速发展下形成了第四代X射线光源,主要基于自发放大辐射SASE原理。电子束尺寸小于100~ 10μm,以相干的方式辐射THz。主要途径如下[Rev. Sci. Instrum. 84 2501(2013)]:波荡器、弯曲磁场偶极辐射、渡越辐射、衍射辐射、弯曲磁场\波荡器边界辐射、切伦科夫辐射等。这些技术要求超短脉冲电子束或纵向空间尺度在THz波长量级。相干同步辐射由Michel在1982年提出,近年来,我们见证了如Hamburg FLASH上FEL、LCLS、PAL-FEL、FERMI、Frascati FEL,上海飞秒直线加速器,FLUTE以及TELBE等的发展,这些装置上产生的短脉冲电子束是产生强THz辐射的主要来源。

  激光驱动THz源尝试主要由以下方法:双光场在非线性介质中的频率转换;激光诱导瞬变电荷位移。主要机制如下: 非线性频率转换指入射光场E作用下的壳层电子的扰动导致了介质的极化:

  其中第二项展开,非线性磁化率χ(2),在双色场E=E(ω1)+E(ω2)作用下将产生和频ω1+ω2以及差频ω1-ω2。当两者频率相近时,差频将处于THz范围;对于形成1THz范围时,脉宽100fs脉冲已经足够以产生一系列频率对ωTHz。作为一个重要的结论,这里必须保证THz波是载波包络位相稳定的。

  固态光开关:Auston在1983年设计了固态光开关结构,在半导体基底上两个金属电极间设置缺口,缺口间距为几微米。由于电导比较低,直到能量足够高的短脉冲激光辐照时,仅有小部分偏置电流产生。足够短的脉冲作用下将增强THz波段的电磁波辐射。

  激光驱动气体等离子体:聚焦飞秒激光脉冲将很容易产生强度超过1015W/cm2,并导致气体靶在几个光周期内电离。超过1GVcm-1的电场将加速自由电子,振荡的电子产生电磁波辐射。2000年Cook等发现引入二倍频激光后,THz转换效率迅速增强。在10~20THz波段,转换效率已经超过了10-4。采用6mJ,1kHz,800nm激光脉冲,Rodriguez报道了15Hz,1μJ,带宽120%的辐射。小尺寸源确保了再聚焦能力,短波长保证了更小的THz聚焦尺寸。

  如表1所示即几种THz源的特征参数,其中激光方法产生THz源具有显著的优势。加速器源,特别是利用半导体器件的装置,提供了高频的峰值,然而也需要更强的驱动源。此外,尽管激光产生红外,可见以及紫外波段的辐射,但仅FEL可以稳定产生极紫外波段和X射线辐射。

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