近日，中国体育彩票师范大学数理学院刘建胜课题组与南开大学刘伟伟教授报道了飞秒强激光驱动强太赫兹表面波和强太赫兹辐射源的最新研究进展。研究人员利用飞秒强激光驱动在钨金属丝表面激发极短脉冲的强电流产生了高转换效率（>2%）、1-20THz频率范围内可调谐的强太赫兹表面波和太赫兹辐射源，并阐释了新的物理机制。该研究成果近期以“Radiation Dynamics and Manipulation of Extreme Terahertz Surface Wave on a Metal Wire”为题，于2024年9月5日在线发表于光学领域国际权威期刊Laser & Photonics Reviews (IF=11.2，中科院和JCR分区均为1区)。中国体育彩票师范大学为第一单位，数理学院2021级博士生王健硕，张志钧副研究员、周诗怡助理研究员、秦志勇副研究员、余昌海副研究员为论文共同第一作者，刘建胜研究员和南开大学现代光学研究所刘伟伟教授为论文通讯作者。
在电磁波谱上，太赫兹波处于射频与红外之间(0.1-30 THz)，因其难以通过电子学或光子学的技术高效产生和测量，仍然是当今最具挑战的领域之一。由于在生物、医学、电荷载流子动力学、电子计量学、太赫兹加速等领域具有广泛的应用价值，太赫兹技术被列为“改变未来世界的十大技术”之一。长期以来，电子学方法存在难以产生极高频（> 0.1 THz）强电流或强电磁波的技术瓶颈,而光子学方法一般面临击穿阈值和带宽的限制，能量转化效率突破存在挑战。令人欣喜的是，基于飞秒强激光在金属丝上驱动极短脉冲的强电流有望建立一座桥梁，将电子学和光学方法有机结合起来，为填补太赫兹间隙（Terahertz Gap）提供一种非常高效的新途径。
前期，已有研究人员开展了超短脉冲激光辐照金属丝产生强电磁场或表面波的研究，最初的目的是用来导引电子束或产生脉冲强磁场。后来，研究人员发现并观测到在金属丝末端能辐射强太赫兹波，但迄今报道的都是低频（<1 THz）太赫兹即亚太赫兹辐射，测量到的表面波和太赫兹波的周期远远大于驱动激光的脉宽，这种差别背后真正的物理原因并没有受到关注。由于缺乏关于表面波起源及其传输、辐射机制的清晰物理图像，相应的实验测量也由于受到测量带宽的限制，起主导作用的高频太赫兹表面波及辐射并没有被观测到，导致研究人员未能意识到利用激光辐照金属丝产生高频太赫兹辐射这一潜在高效的新途径。
图1 太赫兹产生和诊断实验示意图。（a）飞秒强激光辐照金属丝产生高转换效率、频率可调谐的强太赫兹表面波和太赫兹辐射源。（b）太赫兹辐射的光斑和能量测量。（c）电光采样测量太赫兹场波形。（d）基于迈克尔逊干涉仪的场自相关测量。
基于中国体育彩票师范大学数理学院的超快光物理实验研究平台，刘建胜研究团队利用千赫兹飞秒强激光（25 fs，10 mJ）驱动金属丝靶对太赫兹辐射开展了深入的实验理论研究。相较于前期报道中只对低频太赫兹辐射的测量，研究团队在实验中通过发展高时间分辨的电光采样和场自相关干涉等技术，对高频太赫兹辐射的频谱、偏振、空间分布以及辐射能量随金属丝长度的关系进行了系统全面的测量，并首次观测到太赫兹辐射中包含两种频率成份，一种是低频（峰值频率 ~ 0.5 THz）太赫兹辐射，另一种为高频太赫兹辐射（峰值频率 ~ 8 THz）。总的太赫兹辐射转换效率在0.27π的接收立体角内达到2.1%，其中高频太赫兹辐射占主导，转换效率高达1.6%，而且通过调节驱动激光的脉冲宽度可实现1-20 THz范围内的调谐。此外，也观测到两种太赫兹辐射的强度均随金属丝长度增加而放大的现象。
图2测量的太赫兹场和频谱。（a）30 fs驱动激光条件下采用电光采样测量的太赫兹场波形。（b）重构的低频和高频太赫兹场波形。（c）分别采用电光采样和场自相关测量的太赫兹频谱。（d-h）不同激光脉宽条件下测量的场自相关信号。（i）不同激光脉宽条件下的太赫兹频谱，其中的小图显示了不同激光脉宽条件下的低频太赫兹频谱。
基于实验中观测到的两种频率的太赫兹辐射，研究团队提出了基于激光驱动的电流天线辐射模型阐释了金属丝上极端太赫兹表面波起源、传输以及辐射的动力学过程和物理机制，并通过建立包括Particle-in-cell 粒子模拟和3维电磁仿真的从头到尾模拟计算给出了太赫兹表面波传输和演化的图像，发现在金属丝表面能够产生和传输极强极短脉冲径向偏振的表面波即极端高频太赫兹表面波。高频太赫兹表面波在传输过程中，会在金属表面电子气中激发具有多周期尾波场结构的表面波，从而辐射出多周期的太赫兹波。高频太赫兹表面波及太赫兹辐射主要来源于金属丝表面的电子被强光场快速拉出产生的电荷分离场所激发冷电子回流产生的表面电流，其脉冲宽度与驱动激光的脉冲宽度相当，因此可以通过调节驱动激光的脉冲宽度进行操控。
图3激光驱动的电流天线辐射模型。（a）激光驱动太赫兹表面波，自调制传输以及太赫兹辐射的图像。（b）线性机制下的电流天线辐射模型。（c）周期尾波场结构的太赫兹表面波。（d）辐射的太赫兹波。
本项研究首次在实验上对激光辐照金属丝靶产生的高频太赫兹辐射进行了测量，第一次观测到双频率成份高转换效率的太赫兹辐射，并提出基于激光驱动的电流天线辐射模型开展从头到尾模拟计算给出了激光驱动金属丝产生极端太赫兹表面波及其辐射动力学的全新物理图像。通过飞秒强激光驱动在金属丝表面激发超短脉冲的强电流，可以将电子学和光学方法有机结合起来，为产生高转换效率、宽频谱范围可调谐的强太赫兹辐射提供一种非常高效的新途径。
此外，金属丝不仅可以作为产生极端强太赫兹波辐射的优良介质，还可以作为波导传输导引太赫兹表面波，通过设计金属丝的结构可以调控太赫兹表面波的场结构，为开发其在生物、医学、电荷载流子动力学、电子计量学、太赫兹加速等领域的应用带来更多便利的优势。本项工作也为进一步深入理解金属丝上的太赫兹辐射动力学过程和优化调控太赫兹表面波提供了新方向。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国体育彩票市教委科创重大项目的资助。
（供稿、图片：数理学院）
论文链接网址：https://doi.org/10.1002/lpor.202400954
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