强激光驱动气体辐射太赫兹波的偏振特性理论研究

The generation of intense elliptically and circularly polarized terahertz (THz) wave is demanding for the THz technology in the fields of imaging the structures of molecules, probing the spin dynamics in solid state materials and so on. At present, it is still a challenge to obtain these THz waves from laser-induced plasmas. Based on the photocurrent model and solving the Maxwell equations including macroscopic effects, we probe the laws of influence of laser parameters (polarization states, intensity ratio and phase delays between two components, etc) and experimental conditions (gas pressure, length of plasma) on the polarization of THz wave emitted from laser induced plasmas. We focus on finding the way of how to generate intense elliptically and circularly polarized terahertz wave. The results obtained from this project can provide theoretical guides to the experiment of generating frequency and polarization controllable THz wave with high power.

获得高强度的椭圆和圆偏振太赫兹波对于太赫兹技术的运用非常关键，利用这些辐射源可以获取分子结构信息、观测固体材料自旋动力学。目前，通过激光诱导等离子体产生任意偏振态的太赫兹辐射仍是一个具有挑战性的问题。项目将利用光电流模型和求解包括宏观传播效应的麦克斯韦方程的方法，研究在由各种偏振态激光构成的倍频及非倍频组合双色激光场与气体相互作用过程中，各激光参数（如偏振态、强度比、相位延迟等）和实验条件（气体压强、长度等）对等离子体辐射太赫兹波偏振态的影响，重点探寻产生高强度、高偏振度的椭圆和圆偏振太赫兹波的方法。项目结果可为实验获得频率和偏振态可控的高功率太赫兹波提供依据。

如何获得高强度、偏振可控的太赫兹波对于太赫兹技术的运用非常重要。针对此，本项目通过数值模拟，提出了一些利用组合驱动激光场与原子作用辐射极化太赫兹波的方案。结果表明，当采取合适的激光参数（偏振、波长、脉宽、强度比、相位延迟等）时，得到了线偏振、椭圆偏振、圆偏振太赫兹波。提出了利用单色少周期飞秒脉冲、双色长激光场与单层石墨烯作用辐射亚周期强太赫兹波的方案，解决了实验上无法在正入射条件下观察到太赫兹输出的问题。发展了可与实验太赫兹结果直接比较的数值模拟程序，借助此工具，很好地解释了实验发现，即当两束激光的焦斑具有不为零的距离时可以辐射出最强太赫兹。项目还证实了多色激光场中的载波包络相位并不会影响最终产生的紫外孤立阿秒脉冲的宽度，这为降低实验室利用波形合成技术产生超短孤立阿秒脉冲的技术难度提供了有益参考。在项目所开展的数值模拟中，所采用的激光场形式、激光参数均可通过目前的实验技术获得，因此，本项目所取得的结果有望得到实验验证，并为强场物理如何产生高强度、任意偏振的太赫兹源和超短孤立阿秒脉冲源提供了更多选择。