可产生高能太赫兹脉冲的激光技术

来自德国电子加速器中心和汉堡大学的一组科学家在探索一种新型的紧凑型粒子加速器方面取得了重要的里程碑。利用超强激光脉冲，他们能够在太赫兹范围内产生具有清晰波长（颜色）的特别高能量的辐射闪光。太赫兹辐射将为新一代紧凑型粒子加速器开辟道路，这些加速器将在实验室的工作台上找到空间。由汉堡自由电子激光科学中心（CFEL）的AndreasMaier和Franz Kartner领导的团队正在《自然通讯Nature Communications》杂志上发表他们的发现。汉堡自由电子激光科学中心是由德国电子加速器中心、汉堡大学和马克斯普朗克学会共同运营。

电磁辐射的太赫兹范围介于红外和微波频率之间。航空旅客可能熟悉机场保安用来寻找藏在人衣服下物体的全身扫描仪发出的太赫兹辐射。然而，在这个频率范围内的辐射也可以用来制造紧凑的粒子加速器。”德国电子加速器中心的首席科学家Franz Kartner说：“太赫兹辐射的波长大约比目前用来加速粒子的无线电波短1000倍。这意味着加速器的部件也可以被建造成大约1000倍的更小。”因此，高能太赫兹脉冲的产生也是由欧洲研究理事会（ERC）资助的汉堡自由电子激光科学中心的AXSIS（阿托秒X射线科学前沿：成像和光谱学）项目的一个重要步骤，该项目旨在用紧凑的太赫兹粒子加速器打开全新的应用。

上图所示为两个具有稍微延迟的激光闪光（左），通过非线性晶体产生一个高能太赫兹脉冲（右）。

然而，沿着相当数量的粒子运动，需要具有明确波长的强大太赫兹辐射脉冲。这正是团队现在努力创造的。“为了产生太赫兹脉冲，我们将两个强大的激光脉冲发射到所谓的非线性晶体中，两者之间的时间延迟最小，”汉堡大学的Maier解释说。这两个激光脉冲有一种颜色梯度，这意味着脉冲前面的颜色与后面的颜色不同。因此，两个脉冲之间的轻微时间移动会导致颜色上的轻微差异。“这种差异恰恰在太赫兹范围内，”Maier说。“晶体将颜色差异转换成太赫兹脉冲。”

该方法要求两个激光脉冲精确同步。科学家们通过将一个脉冲分成两部分，并将其中一部分发送到一个较短的迂回道上，从而在两个脉冲最终再次叠加之前稍微延迟。然而，沿脉冲的颜色梯度不是恒定的，换句话说，颜色不会沿脉冲长度均匀变化。相反，颜色起初变化缓慢，然后越来越快，产生一个曲线轮廓。因此，两个交错脉冲之间的色差不是恒定的。这种差异只适用于在窄脉冲范围内产生太赫兹辐射。

 “这是制造高能太赫兹脉冲的一大障碍，” Maier报告说。因为校正脉冲的颜色梯度是很明显的解决方案，在实践中并不容易做到。”作者之一Nicholas Matlis提出了一个关键的想法：他建议两个部分脉冲中的一个的颜色轮廓应该沿着时间轴略微拉伸。虽然这仍然不会改变颜色随脉冲变化的程度，但相对于其他部分脉冲的色差现在始终保持不变。“需要对其中一个脉冲进行的改变是最小的，而且非常容易实现：所需要的只是在光束中插入一小段特殊的玻璃，” Maier报告说。“突然之间，太赫兹信号变强了13倍。”此外，科学家们用一个特别大的非线性晶体产生太赫兹辐射，这是日本冈崎分子科学研究所专门为他们制造的。

Kartner说：“通过结合这两种测量方法，我们能够产生能量为0.6毫焦耳的太赫兹脉冲，这是这项技术的一项记录，比以前用光学方法产生的任何波长明确的太赫兹脉冲都高出10倍多。我们的研究表明，为了操作紧凑的粒子加速器，有可能产生足够强大的太赫兹脉冲，且其波长非常明确。”

原文来源：https://phys.org/news/2019-06-laser-high-energy-terahertz-pulses.html