周期量级圆偏振激光脉冲在空气中成丝产生太赫兹辐射的研究

The purpose of this project is to study the characters of terahertz emission from air plasma produced by few-cycle circularly polarized laser pulses, such as waveform, amplitude and polarization. And relationship between the characters and the carrier-envelope phase of driving laser will be also dicussed.Firstly, according to the photocurrent model and the propagation equation,the amplitude and polarization of terahertz emission from the filament will be caculated under given laser status, and their dependance on carrier-envelope will be obtained.Then, we'll lay the amphasis on experimental research: 1) Parameter measurement of tearhertz emission from air plasma produced by few-cycle circularly polarized laser pulses, including intensity, waveform, and polarization. And comparison to the condition of driving by multi-cycle and linearly polarization pulses. 2) Measurement of the terahertz parameters under various carrier-envelope phases, and comparing with theoretical analysis.The significance of the project is obviously. On one side, the waveform and polarization of terahertz generated from air plasma will be controllable by adjusting the parameters of driving laser. This will enrich our knowledge about laser driving plasma and will have a great application value.On the other side, the carrier-envelpe phase of driving laser can be caculated from the polarization direction of terahertz wave, which will be meaningful for attosecond science.

本项目旨在研究周期量级圆偏振激光脉冲在空气中成丝所辐射出太赫兹波的波形、振幅、偏振状态等性质及其与驱动激光载波-包络相位的关系。首先，在理论上，根据光电流模型和传播方程，在给定的激光条件下,分析成丝过程中太赫兹辐射的强度和偏振状态并得出各参数与激光载波-包络相位的关系。然后，重点进行实验方面的工作：1、对周期量级圆偏振激光脉冲在空气中成丝辐射的太赫兹波进行参数测量，包括能量、波形、偏振状态等，并对比长脉冲和线偏振激光驱动的情形；2、改变激光的载波-包络相位，测量太赫兹波的偏振方向、波形、振幅的变化，与理论分析相互印证。本项目的意义在于：一方面，通过驱动激光参数的改变，实现对成丝辐射的太赫兹波的波形和偏振方向的控制，丰富了对激光成丝过程的认识，并有很大的应用价值；另一方面，通过太赫兹波偏振方向的测量推算出驱动激光的载波-包络相位，这对阿秒科学研究具有重要意义。

近年来，周期量级的激光脉冲被应用于在气体中成丝产生太赫兹辐射的研究。这不仅有助于我们更深入的了解成丝过程的物理机制，得到性能优异的太赫兹辐射，也有利于丰富我们对周期量级激光脉冲本身一些特性的认识。值得注意的是，周期量级的激光脉冲与物质相互作用时，表现出许多与多周期激光脉冲不同的物理特性，尤其是激光的载波-包络相位扮演了更加重要的角色。理论研究表明，周期量级的超短激光脉冲在空气中成丝产生的太赫波，其波形依赖于激光脉冲的载波-包络相位。在线偏振的情形下，随着载波-包络相位的变化，激光电场的非对称性在其振动平面内变化，我们通过调节激光脉冲的载波-包络相位，实现了对成丝辐射的太赫兹波的波形控制，并分析线偏振激光成丝过程中的相位变化。而对于圆偏振激光，当脉冲宽度达到周期量级时，激光电场在三维空间内都具有很强的非对称性。这样的电场在气体中成丝辐射出的太赫兹波的特性，如强度、波形、空间分布、偏振状态等等。本课题针对圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的过程进行了实验和理论研究。研究表明，随着载波-包络相位的变化，激光电场以传播方向为轴转动，即电场的不对称性也随着载波包络-相位的变化而转动。这样，激光成丝所辐射的太赫兹波的偏振方向也会随着载波-包络相位的变化而转动，而振幅和波形不变。利用这一特点，改变驱动激光的载波-包络相位可以方便的得到任意方向偏振的强度相同的太赫兹辐射，而且如果取某一偏振方向的分量，同样可以控制太赫兹波的波形。另一方面，通过测量太赫兹辐射的偏振方向就可以得到周期量级激光的载波-包络相位，这对于阿秒科学的研究具有非常重要的意义。