双色强激光场驱动的完全偏振太赫兹辐射的相干控制研究

Researches on polarization control of terahertz (THz) field enables manipulate the temporal evolution of the THz trajectory within a single optical cycle. The propose of this project aimed to study the coherent control of fully polarized terahertz radiation that generated from plasma filament driven by two individual two-color laser field. Firstly, based on photocurrent model of terahertz generation the waveform and polarization state of the terahertz emission will be investigated under various laser field parameters. The dependence of terahertz polarization state on laser field status should be considered in our experiment proposal. Then we will lay the emphasis on experimental research of THz radiation under various experimental conditions, for example the time delay of two perpendicular polarized fundamental pulse, bi-filament distance, angle of BBO crystal, BBO to plasma distance ect. The significance of the project is obvious: (1) Enriching the knowledge about nonlinear process of THz emission produced by two-color field induced plasma filament. Explore the new route to manipulate the temporal evolution of the amplitude and electric field vector of THz wave. Promote the study of coherent control of the polarization properties in plasma filament based THz sources. (2) According to precise expression of subcycle laser filed, the temporal and spatial evolution of full polarized THz wave should be investigated.

太赫兹电场的相干控制研究使得在单个光周期的时间尺度内控制太赫兹波形振幅和电场矢量的时间演化成为可能。本项目拟采用两束双色场驱动气体等离子体成丝的方法，产生波形、偏振可控的太赫兹辐射。首先理论上利用光电流模型模拟太赫兹产生过程，分析各种激光场参数下辐射太赫兹偏振特性的规律，用以指导实验。实验方面着重研究在不同的双色场参数下太赫兹辐射的偏振性质，实验可调节的参数有两正交偏振基频光的时间延时，等离子体光丝间距，倍频晶体的角度，和其到光丝的距离等。本项目的研究意义在于：(1)丰富双色激光场诱导等离子体光丝产生太赫兹辐射的这一非线性过程的物理认识，探索相干控制太赫兹辐射偏振态的新方法，促进基于等离子体光丝太赫兹辐射源的偏振控制方向的研究进展；(2) 基于亚周期光场的准确数学描述，研究亚周期完全偏振太赫兹辐射在时间和空间传播过程中偏振特性的演化。

在太赫兹波段，偏振可控的太赫兹辐射在研究成像，透明材料的二向色性，及激发固体材料自旋动力学的研究中有重要应用。在太赫兹辐射产生的诸多方法中双色强激光场驱动的气体等离子体作为高效的宽带太赫兹辐射源被广泛研究。但利用该方法实现太赫兹辐射偏振态完全控制仍待进一步研究。该项目研究了双色强激光场激发的偏振态可控太赫兹辐射产生。偏振态可控的太赫兹辐射以及强场太赫兹辐射两个方向开展了深入研究，获得研究成果如下：.1.利用两束独立可控的双色激光场激发空气等离子体，分别控制两束双色场间延时，相对相位等参数，实现了对太赫兹辐射偏振态的控制。获得了线偏振到椭圆偏振的完全控制，并且得到了接近圆偏振的太赫兹辐射。.2.正交偏振双色激光诱导等离子体光丝，获得了椭圆偏振太赫兹辐射，偏振主轴随载波包络相位改变旋转。理论计算表明太赫兹辐射椭偏度、主轴方向由驱动光脉宽和载波包络相位控制。正交偏振太赫兹辐射分量间的相位差部分继承自驱动光相位。.3.利用三脉冲方案实现了太赫兹辐射偏振的完全控制。通过对两束基频光与一束倍频光延时、相对强度等参数的调节，获得了有线偏振到椭圆偏振，甚至完全圆偏振的太赫兹辐射产生，同时偏振手性可可以任意调节。.4.利用真空条件下喷气靶技术，得到了椭圆偏振的太赫兹辐射，并且太赫兹辐射偏振态可通过喷气靶背压控制。实验研究发现太赫兹光谱随着气压增加中心频率蓝移，而在高气压下转向红移，该实验首次揭示了等离子体振荡在宽带太赫兹光谱中的贡献。利用修正后的考虑吸收的等离子体振荡模型很好的符合了实验结果。同时该结果阐明了相干控制太赫兹频率的机制。