原标题：从长波长的红外激光灯丝中产生强大的太赫兹波
江苏激光联盟导读：强大的太赫兹电磁瞬态效应为科学和应用开辟了一个新的视野。本文综述了大多数先进的获得具有极端场强度的亚周期太赫兹脉冲的途径。在双色中红外和远红外超快激光脉冲的非线性传播过程中，可以获得长且厚的等离子串，此处强的光电流会导致强烈的太赫兹瞬态。相应地THz电/磁场强度可以潜在的分别达到千兆伏/厘米和千特级。这些THz场的强度可以促使极端的非线性光学和相对论性物理学的应用和研究。本文则对以上给予了综合性的综述，从中红外和远红外超短激光脉冲的光-物质的相互作用的微观物理工艺开始，到这些激光场的非线性传播的理论和数值模拟的先进性，到今天最为重要的实验展示结果。
一个可以减少生成强大的太赫兹波的成本和复杂性的实验技术可以对很多领域产生有益的效果，如无线通信。来自希腊赫拉克利翁（Heraklion, Greece）的 IESL-FORTH机构的Stelios Tzortzakis及其同事综述了关于理解和优化利用超快激光脉冲工艺来产生电离气体进入细丝等离子体天线的相关工作。仔细的混合激光频率可以促使细丝来发射太赫兹辐射，其带宽和功能的强大足以穿过建筑物和墙壁而不会对人体的健康产生危害。理论和实验研究结果则强调了采用具有特殊波长的激光源可以提高太赫兹发射的功率转换效率和在空气中的长程传播效果。同现有的技术相比较，控制频率混合的改进的相关项目正在开展中以提供使得太赫兹的输出功率能够得到数量级别的提高。
THz的频率范围处于电磁波谱的最后的空隙中，此处发射这一频率的光源几乎没有。在通常的理解中，THz的频率范围为0.1 到 10?THz，或者等效的，其波长为3?mm 到 30?μm，在光谱中THz的部分被压缩在电子光频率和光子光频率的高频率的主要区间内。而大量的强大的微波源存在于高频率的电子和高能量的激光覆盖了光子所需要的部分，此处在当前没有容易的，直接的办法来产生同强大的THz场。
双色灯丝产生THz的典型的装置示意图
THz频率的波普范围之所以吸引人们的关注是多方面的原因造成的。首先，THz波可以穿透大量的不同的材料，如塑料/植物/混凝土/木材和纸张而不会受到损失。然而，同Ｘ射线不同的是，THz光子的能量，处于几meV的数量级范围内，这一能量太低了，以至于不能直接的媒介中扰乱任何的化学键或导致电子跃迁和破坏它。结果，THz的发射就成为同影像和诊断领域所用的诸如医疗／工业质量控制／食品检测和艺术品鉴定中非常感兴趣的课题。然而，大量的在微观水平所发生的工艺过程，在时间特征层面同THz频率是相关的，例如，在大分子（核酸类，蛋白质，合成聚合物等）的旋转和振动中，晶格的振动和自由载体运动。因此，THz波在物质的基础研究中就扮演者重要的角色，并在光谱学和材料的控制等方面取得了重要的应用，包括超快电场和磁场的转换，这一速度比传统的电子要快得多。此外，有一整套应用是直接依赖强烈的高能的THz场，例如，桌面型的THz电子加速器或THz增强阿秒脉冲的生成等。
双色灯丝产生THz的机理
尽管现存的需要是急需强烈的 THz发射，现有的可以产生功能强大的 THz源却非常少。在当今，有两个主要的技术可以在桌面产生强度比较大的 THz场：在电－光晶体中的光学整流和在气体和液体中的双色灯丝。通过光学整形产生THz时 ，一个在秒级的非线性晶体通过超快激光脉冲来进行泵浦，在较宽的脉冲光谱中的不同的光谱组件混合的不同频率可以产生拍偏，从而提高在THz光谱范围内的发射。反过来，双色灯丝是基于由基础辐射及其第二谐波所组成的激光脉冲进行离子化介质而产生的。因此，自由电子生成的等离子体振荡在驱使激光场和发射出电磁波。通过适当的选择基础相和二次谐波脉冲的相，就有可能打破场的对称性和促使电子来产生一个残余的光流振动在THz的频率范围内。
在以上提到的两种技术中，光学整形可以允许产生的 THz脉冲能量最高可以达到0.9?mJ，高的THz转换效率（THz能量与输入的双色激光脉冲的能量的比值），最高可以达到 3.7%。比较遗憾的是，由于激光强度所造成的不可避免的非线性晶体中的光损失使得进一步的提升THz能量存在巨大的困难。此外，光学整形所产生的THz脉冲，其频谱非常的窄（其宽度小于5?THz），于是，就比较长（相应的脉冲停留时间大约为几个皮秒）。另外一方面，通常的双色灯丝在近红外激光脉冲时可以提供相对比较小的能量（在气体中最高为30?μJ，在液体中最高为 80?μJ），且THz的转换效率比较低，通常接近0.01%。无论如何，由于气体和液体介质可以覆盖两个激光激发，光损伤问题就变得无关紧要了。而且，双色灯丝可以允许产生超短的在飞秒持续时间的单循环 THz 和光谱带宽超过 50?THz。因此，尽管能量比较低，这些THz脉冲可以具有非常高的强度。而且，双色灯丝可以使得远程产生 THz成为可能，同时可以避免了诸如在大气／水蒸气中 THz较高吸收的问题。
此外，光学整形和双色灯丝所产生的THz具有不同的发射模式。同光学整形不同，双色灯丝所产生的THz发射的空间轮廓重复着激光束泵浦的形状，双色灯丝所产生的THz辐射发射是一个锥形，其角度取决于等离子通道的厚度和它的长度。
尽管目前流行的可用的高功率激光系统运行在近红外的波长范围内，光学整形和双色灯丝的大多数实验是在近红外脉冲范围内开展的。光学整形的泵浦的波长选择主要由可行的非线性晶体的相匹配性质所支配，其双色灯丝的激光源波长可以自由的选择。考虑到有许多的参数控制着激光场中离子化的物理过程和电子的运动，取决于它的波长。我们可以假设一定的激光波长可以是对双色灯丝是有益的。特别的，自由电子的有质动力在长波长时将会产生强的光流，紧接着，更强能量的 THz 产生。然而，为了制造长且致密的有利于THz生成的等离子通道灯丝，激光脉冲的峰值功率应该超过克尔透镜自聚焦（ Kerr self-focusing）的临界点，否则，足够致密的等离子只能通过紧密的聚焦的激光脉冲来产生和只能在焦点产生。反过来，由于克尔透镜自聚焦的临界点是在波长平方的尺度范围，直到最近，关于双色灯丝在中红外和远红外光谱范围内的部件的双色灯丝的研究几乎被禁止，这是因为需要的光功率比较高的缘故。
空气的 分散
光参量啁啾脉冲放大器（optical parametric chirped-pulse amplifiers ）的新的生成技术的先进性的每一个改变，使得输送高峰值功率的亚100?fs的脉冲在3.9?μm的中心波长成为可能。最近的新的高功率脉冲CO2激光的先进进步为太赫兹的研究起到了促进作用。这一新出现的激光系统，在气体中激光灯丝的研究延伸到中红外和远红外光谱范围内。第一个长波长的灯丝实验揭示了大量的独特的非线性空间－时间波长的动力学的独特范围和展示了许多不同寻常的从气体介质到中红外到远红外激光发射的非线性光的反应。我们可以非常容易的期待这些奇特的激光－材料的相互作用将会反映通过双色灯丝在长波长激光脉冲范围内THz辐射的生成。
在这里，我们综述了在气体中的双色灯丝产生的长波长激光辐射的相互作用的先进的实验和理论进展，显示了作为产生极端强大的THz波的光源的巨大优势。我们也仔细的分析了复杂的非线性光响应对气体介质在中红外和远红外辐射时产生THz的工艺以及产生强烈的和更加强大的THz场的所需要的条件。同时在对当前的中红外和远红外双色灯丝的非线性传播的当前研究做了介绍之后，对理论分析也做了介绍。
文章来源：Fedorov, V.Y., Tzortzakis, S. Powerful terahertz waves from long-wavelength infrared laser filaments. Light Sci Appl 9, 186 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-00423-3
