通过激光尾流场加速光子的多毫焦耳太赫兹辐射

太赫兹（THz）是位于电磁波谱的微波和红外区域之间的一个频段，这个频段下传统技术在产生和检测辐射方面效率低下，人们正在通过开发新的太赫兹源和检测器来弥补这一缺口。基于激光的太赫兹源由于能够产生相干的、单周期到多周期的、宽带（或窄带）辐射而备受关注。

这种源也可以提供与驱动激光的自然同步，允许超快时间分辨光谱和成像。最近，高功率飞秒激光器被用来产生强大的太赫兹辐射，以及探索新的太赫兹驱动的现象，如分子排列，谐波生成和分子加速等。

在发表在《光：科学与应用》上的一篇新论文中，由马里兰大学帕克分校的Ki-Yong Kim教授领导的一组科学家，也隶属于光州科学技术研究所和韩国基础科学研究所，开发了激光脉冲高功率太赫兹发射的新模型。

在许多基于激光的源中，基于激光等离子体的源很适合于高功率太赫兹的产生。等离子体已经被电离，因此可以维持高电磁场，当高功率激光脉冲被聚焦到一个小的体积中用于产生能量可存储的太赫兹时，几乎不需要材料损坏。从激光产生的气体和固体密度等离子体中产生的相干太赫兹已经被广泛地研究。

在气体中，单色或双色激光产生的等离子体可以通过超快的激光驱动电流产生相干的宽带太赫兹辐射。在双色激光混合中，通过使用中红外激光驱动器，激光到太赫兹的转换效率提高到百分比水平。最近，从一个被高能量皮秒激光脉冲照射的金属箔中观察到了几十毫焦耳的太赫兹能量。然而，与气体靶材不同，高密度的靶材往往会带来靶材碎片和靶材重装的问题，这使得它们不利于用于连续或高重复率的操作。

激光尾流场加速器（LWFA）是一种基于气态等离子体的紧凑型电子加速器方案，可以产生宽带电磁辐射。在激光尾流场加速器中产生的相对论性电子束，当它通过相干过渡辐射离开等离子体-真空边界时，可以发射出太赫兹辐射。当电子束的长度与发射的太赫兹辐射的波长可比拟或小于辐射波长时，就会出现这种情况，且单个电子产生的太赫兹场在辐射方向相干叠加。

激光驱动的电子加速和太赫兹生成示意图

在实验中，用10 TW级激光器从激光尾流场加速器中观察到小于100纳焦的太赫兹能量，太赫兹辐射的波形被单次测量，也被利用来诊断电子束本身。然而到目前为止，激光尾流场加速器输出的太赫兹能量尚未超过微焦水平，人们也没有研究过太赫兹能量的扩展。

为了解释这一有趣的结果以及多mJ THz的产生，研究小组提出了一个相干辐射模型，其中由激光思考动势加速的电子和随后的等离子体尾流场沿激光传播方向连续辐射宽带发射，最终产生相位匹配的锥形太赫兹辐射 在远处的田野。然而，该模型需要通过更多的后续实验和分析/数值研究来验证或检查，以便充分了解LWFA中太赫兹的产生，并为未来的高功率太赫兹应用优化来源。

相关链接：https://phys.org/news/2023-02-laser-accelerated-electron-terahertz-emissions.html