强激光驱动气体产生的强太赫兹辐射源的理论和数值模拟研究

Powerful terahertz (THz) sources with field strengths of MV/cm and above have intensive demands in communication,THz imaging, THz nonlinear physics, etc. Such sources are promising to achieve from gas plasmas irradiated by intense laser pulses.Via the two-color laser scheme with a fundamental laser mixed with its second harmonic in a gas, single-cycle THz radiation near MV/cm has been observed from experiments. So far the THz radiation is the strongest one driven by lasers and therefore this scheme has aroused quite broad interests from the world. However, there are many problems to be clarified. 1) There are some inconsistent experimental results. Some observations showed sine dependence of the THz strength on the relative phase of the two lasers but others were cosine. The observations of the THz strength dependence on the laser intensity also showed two different results. 2) One needs to study how to enhance the THz strength to a few MV/cm. 3) Can the two-color laser scheme be extended to use other order harmonic instead of the second harmonic? Which order is the most favorable? In the project these problems will be systematically investigated by an analytical model and particle-in-cell simulations with gas ionization included. This project could provide insight into the physics of the scheme and promote its application.

场强在MV/cm及以上的强太赫兹辐射源在太赫兹通讯、快速太赫兹成像、太赫兹波与物质非线性相互作用等领域有着广泛的应用需求。强激光驱动气体等离子体有望产生这种强辐射源。实验上把基频光和二倍频光聚焦在气体上（双色激光方案）产生了近MV/cm、近单周期的太赫兹波。由于这是基于激光泵浦产生的最强太赫兹源，近十年来双色激光方案在世界范围内被广泛地研究。尽管如此，此方案还存在一些问题需要深入的研究。1）太赫兹强度与两束激光相位差的关系存在着矛盾的实验结果，一个是正弦依赖而一个是余弦；它对激光强度依赖也存在着两个不同的实验结果。2）需要研究怎么优化参数把太赫兹场提高到几个MV/cm。3）研究能否把此方案推广到使用其它阶的倍频光，及回答哪一阶倍频光最有利。本项目将建立一个解析模型及用包含气体电离的二维粒子模拟对上述问题进行系统的研究，更加深入地认识双色激光方案的物理机制，并促进它的实际应用。

本项目拟定的研究目标为：“深入地研究双色激光方案；解释现有实验中出现的矛盾结果；优化现有实验参数；推广和优化双色激光方案；探索能产生更强太赫兹辐射的新方案。”我们很好地完成了以上研究目标及拟定的研究内容，得到了如下重要的研究结果：1）我们通过等离子体电流模型和粒子模拟得到了太赫兹场强与两束激光相位差的依赖关系，从而可解释两个矛盾的实验结果；澄清了太赫兹强度随着激光强度的增强出现饱和的物理机制；2）研究了不同种类气体对太赫兹场强的影响，发现具有更高的第一阶电离阈值的气体能够更有效地产生太赫兹辐射，例如，使用氦气可产生近10MV/cm的太赫兹波；3）两束激光的频率比（原方案为1:2）可以推广到1:2n（n为正整数），1:(n+1/2)，和1:(n±1/3)，其中太赫兹强度随n的增加逐渐下降；4)以上关于方案推广的预测首次被我们的实验证实，同时在实验上验证了等离子体电流模型的正确性；5）发现太赫兹场强线性定标于激光波长；6）为增强太赫兹波强度，提出皮秒激光方案；发现相对论超强激光直接与大密度标长等离子体相互作用也可以产生强太赫兹辐射；7）提出“磁场控制”新方法，可以产生可调谐的圆偏振太赫兹辐射。 . 因此，我们从理论和实验上证实了“双色激光方案”的物理机制应主要归结为等离子体电流模型，对此方案进行了推广，并对激光和气体参数优化进行了研究。我们的研究对基于双色激光方案的太赫兹辐射产生和调控具有重要指导意义。. 在本项目的支持下，发表学术论文11篇（包括4篇PRL文章，其中2篇PRL文章以项目负责人为第一作者，另外1篇PRL文章以项目负责人为唯一通信作者），在学术会议上作邀请报告9次（包括1次大会邀请报告），项目负责人获得2015年度的IUPAP Young Scientist Prize in Computational Physics。