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加速器/激光驱动强场太赫兹源研究进展 - OFweek激光网

直到上个世纪末，频率处于300GHz到10THz，或波长处于30 m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~ 10 m，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 (2)，在双色场E=E( 1)+E( 2)作用下将产生和频 1+ 2以及差频 1- 2。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 THz。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，1 J，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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