近日，上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院劉建勝課題組與南開(kāi)大學(xué)劉偉偉教授報(bào)道了飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)太赫茲表面波和強(qiáng)太赫茲輻射源的最新研究進(jìn)展。研究人員利用飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)在鎢金屬絲表面激發(fā)極短脈沖的強(qiáng)電流產(chǎn)生了高轉(zhuǎn)換效率（>2%）、1-20THz頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲表面波和太赫茲輻射源，并闡釋了新的物理機(jī)制。該研究成果近期以“Radiation Dynamics and Manipulation of Extreme Terahertz Surface Wave on a Metal Wire”為題，于2024年9月5日在線(xiàn)發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊Laser & Photonics Reviews (IF=11.2，中科院和JCR分區(qū)均為1區(qū))。上海師范大學(xué)為第一單位，數(shù)理學(xué)院2021級(jí)博士生王健碩，張志鈞副研究員、周詩(shī)怡助理研究員、秦志勇副研究員、余昌海副研究員為論文共同第一作者，劉建勝研究員和南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所劉偉偉教授為論文通訊作者。

在電磁波譜上，太赫茲波處于射頻與紅外之間(0.1-30 THz)，因其難以通過(guò)電子學(xué)或光子學(xué)的技術(shù)高效產(chǎn)生和測(cè)量，仍然是當(dāng)今最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域之一。由于在生物、醫(yī)學(xué)、電荷載流子動(dòng)力學(xué)、電子計(jì)量學(xué)、太赫茲加速等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，太赫茲技術(shù)被列為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一。長(zhǎng)期以來(lái)，電子學(xué)方法存在難以產(chǎn)生極高頻（> 0.1 THz）強(qiáng)電流或強(qiáng)電磁波的技術(shù)瓶頸,而光子學(xué)方法一般面臨擊穿閾值和帶寬的限制，能量轉(zhuǎn)化效率突破存在挑戰(zhàn)。令人欣喜的是，基于飛秒強(qiáng)激光在金屬絲上驅(qū)動(dòng)極短脈沖的強(qiáng)電流有望建立一座橋梁，將電子學(xué)和光學(xué)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為填補(bǔ)太赫茲間隙（Terahertz Gap）提供一種非常高效的新途徑。

前期，已有研究人員開(kāi)展了超短脈沖激光輻照金屬絲產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)或表面波的研究，最初的目的是用來(lái)導(dǎo)引電子束或產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。后來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)并觀(guān)測(cè)到在金屬絲末端能輻射強(qiáng)太赫茲波，但迄今報(bào)道的都是低頻（<1 THz）太赫茲即亞太赫茲輻射，測(cè)量到的表面波和太赫茲波的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)激光的脈寬，這種差別背后真正的物理原因并沒(méi)有受到關(guān)注。由于缺乏關(guān)于表面波起源及其傳輸、輻射機(jī)制的清晰物理圖像，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也由于受到測(cè)量帶寬的限制，起主導(dǎo)作用的高頻太赫茲表面波及輻射并沒(méi)有被觀(guān)測(cè)到，導(dǎo)致研究人員未能意識(shí)到利用激光輻照金屬絲產(chǎn)生高頻太赫茲輻射這一潛在高效的新途徑。

圖1 太赫茲產(chǎn)生和診斷實(shí)驗(yàn)示意圖。（a）飛秒強(qiáng)激光輻照金屬絲產(chǎn)生高轉(zhuǎn)換效率、頻率可調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲表面波和太赫茲輻射源。（b）太赫茲輻射的光斑和能量測(cè)量。（c）電光采樣測(cè)量太赫茲場(chǎng)波形。（d）基于邁克爾遜干涉儀的場(chǎng)自相關(guān)測(cè)量。

基于上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院的超快光物理實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，劉建勝研究團(tuán)隊(duì)利用千赫茲飛秒強(qiáng)激光（25 fs，10 mJ）驅(qū)動(dòng)金屬絲靶對(duì)太赫茲輻射開(kāi)展了深入的實(shí)驗(yàn)理論研究。相較于前期報(bào)道中只對(duì)低頻太赫茲輻射的測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)發(fā)展高時(shí)間分辨的電光采樣和場(chǎng)自相關(guān)干涉等技術(shù)，對(duì)高頻太赫茲輻射的頻譜、偏振、空間分布以及輻射能量隨金屬絲長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)全面的測(cè)量，并首次觀(guān)測(cè)到太赫茲輻射中包含兩種頻率成份，一種是低頻（峰值頻率 ~ 0.5 THz）太赫茲輻射，另一種為高頻太赫茲輻射（峰值頻率 ~ 8 THz）?？偟奶掌澼椛滢D(zhuǎn)換效率在0.27π的接收立體角內(nèi)達(dá)到2.1%，其中高頻太赫茲輻射占主導(dǎo)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1.6%，而且通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)激光的脈沖寬度可實(shí)現(xiàn)1-20 THz范圍內(nèi)的調(diào)諧。此外，也觀(guān)測(cè)到兩種太赫茲輻射的強(qiáng)度均隨金屬絲長(zhǎng)度增加而放大的現(xiàn)象。

圖2測(cè)量的太赫茲場(chǎng)和頻譜。（a）30 fs驅(qū)動(dòng)激光條件下采用電光采樣測(cè)量的太赫茲場(chǎng)波形。（b）重構(gòu)的低頻和高頻太赫茲場(chǎng)波形。（c）分別采用電光采樣和場(chǎng)自相關(guān)測(cè)量的太赫茲頻譜。（d-h）不同激光脈寬條件下測(cè)量的場(chǎng)自相關(guān)信號(hào)。（i）不同激光脈寬條件下的太赫茲頻譜，其中的小圖顯示了不同激光脈寬條件下的低頻太赫茲頻譜。

基于實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到的兩種頻率的太赫茲輻射，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于激光驅(qū)動(dòng)的電流天線(xiàn)輻射模型闡釋了金屬絲上極端太赫茲表面波起源、傳輸以及輻射的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制，并通過(guò)建立包括Particle-in-cell 粒子模擬和3維電磁仿真的從頭到尾模擬計(jì)算給出了太赫茲表面波傳輸和演化的圖像，發(fā)現(xiàn)在金屬絲表面能夠產(chǎn)生和傳輸極強(qiáng)極短脈沖徑向偏振的表面波即極端高頻太赫茲表面波。高頻太赫茲表面波在傳輸過(guò)程中，會(huì)在金屬表面電子氣中激發(fā)具有多周期尾波場(chǎng)結(jié)構(gòu)的表面波，從而輻射出多周期的太赫茲波。高頻太赫茲表面波及太赫茲輻射主要來(lái)源于金屬絲表面的電子被強(qiáng)光場(chǎng)快速拉出產(chǎn)生的電荷分離場(chǎng)所激發(fā)冷電子回流產(chǎn)生的表面電流，其脈沖寬度與驅(qū)動(dòng)激光的脈沖寬度相當(dāng)，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)激光的脈沖寬度進(jìn)行操控。

圖3激光驅(qū)動(dòng)的電流天線(xiàn)輻射模型。（a）激光驅(qū)動(dòng)太赫茲表面波，自調(diào)制傳輸以及太赫茲輻射的圖像。（b）線(xiàn)性機(jī)制下的電流天線(xiàn)輻射模型。（c）周期尾波場(chǎng)結(jié)構(gòu)的太赫茲表面波。（d）輻射的太赫茲波。

本項(xiàng)研究首次在實(shí)驗(yàn)上對(duì)激光輻照金屬絲靶產(chǎn)生的高頻太赫茲輻射進(jìn)行了測(cè)量，第一次觀(guān)測(cè)到雙頻率成份高轉(zhuǎn)換效率的太赫茲輻射，并提出基于激光驅(qū)動(dòng)的電流天線(xiàn)輻射模型開(kāi)展從頭到尾模擬計(jì)算給出了激光驅(qū)動(dòng)金屬絲產(chǎn)生極端太赫茲表面波及其輻射動(dòng)力學(xué)的全新物理圖像。通過(guò)飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)在金屬絲表面激發(fā)超短脈沖的強(qiáng)電流，可以將電子學(xué)和光學(xué)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為產(chǎn)生高轉(zhuǎn)換效率、寬頻譜范圍可調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲輻射提供一種非常高效的新途徑。

此外，金屬絲不僅可以作為產(chǎn)生極端強(qiáng)太赫茲波輻射的優(yōu)良介質(zhì)，還可以作為波導(dǎo)傳輸導(dǎo)引太赫茲表面波，通過(guò)設(shè)計(jì)金屬絲的結(jié)構(gòu)可以調(diào)控太赫茲表面波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為開(kāi)發(fā)其在生物、醫(yī)學(xué)、電荷載流子動(dòng)力學(xué)、電子計(jì)量學(xué)、太赫茲加速等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更多便利的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)工作也為進(jìn)一步深入理解金屬絲上的太赫茲輻射動(dòng)力學(xué)過(guò)程和優(yōu)化調(diào)控太赫茲表面波提供了新方向。

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市教委科創(chuàng)重大項(xiàng)目的資助。

（供稿、圖片：數(shù)理學(xué)院）

論文鏈接網(wǎng)址：https://doi.org/10.1002/lpor.202400954