基于空心等离子体的高功率可调频太赫兹源

This project proposes the principle of generating THz wave in a plasma waveguide formed by the effect of tunnel ionization of hollow fs intense laser. The electromagnetic energy trapped in the plasma waveguide converts to the THz energy, and may help to realize a high energy THz wave. Initial study shows that the frequency of generated THz is mainly determined by the radius and density of hollow plasma, and could be adjusted by changing the radius of hollow laser. By further theoretical study and simulation, the principle of generating high-power and frequency-adjustable THz wave by converting electromagnetic energy from the hollow plasma generated by fs laser. Establish the time-synchronous experimental platform of fs laser and nanosecond pulsed energy source, demonstrate the THz energy mainly comes from the trapped electromagnetic energy in the hollow plasma, study the relation among the THz frequency with the radius and density of hollow plasma, and compare with the dispersion curve of metal waveguide.

本项目提出空心飞秒强激光隧道电离气体形成等离子体“波导”、将被约束的电磁能量转换成THz辐射波的原理并开展实验研究。初步模拟仿真发现：所产生THz的频率主要决定于空心等离子体的半径和密度，通过调节空心激光的半径可实现THz频率调节。THz的能量主要取决于被空心等离子体约束的电磁储能，高电磁能密度有望产生高能量的THz波。初步实验并证实空心飞秒激光隧穿等离子体可转换直流电能产生THz波。本项目将通过理论模型和数值模拟，进一步深入研究飞秒激光隧穿空心等离子体约束电磁能以产生高功率、可调频太赫兹的物理规律。搭建飞秒激光与纳秒电磁能量源同步运行的实验系统，通过原理性实验以证明太赫兹能量主要来源于空心等离子体内被约束的电磁能，研究太赫兹频谱与空心等离子体半径和密度的关系，并与金属波导的频率色散曲线相比较。

本项目提出超快形成的空心等离子体辐射THz波的新方法。THz频率与空心等离子体的半径和密度密切相关，通过调节空心激光的半径来调谐THz频率。完成了PIC 模拟全空间瞬态产生等离子体实现频率上转换太赫兹辐射，完成了瞬态产生等离子体薄层模型模拟研究，完成了瞬态产生等离子体空心波导结构模型模拟研究。通过一对互补的圆锥棱镜将高斯实心飞秒光斑转换成空心环形光。设计并研制飞秒激光等离子体与电磁能作用的腔体，腔内气体成分和气压可控；通过控制圆锥棱镜间的距离，实现调节空心激光内径。实验证实空心飞秒激光隧穿等离子体可转换电能产生THz波，THz的能量主要取决于被空心等离子体约束的电储能，高电磁能密度有望产生高能量的THz波。随着激光功率增加，产生THz的功率非线性提高，激光功率密度提高使得隧道电离的等离子体密度显著增加，提高了空心等离子体约束和转换电磁能的能力。通过改变空心激光半径，可实现连续可调频THz源。项目执行期间，负责人获国家自然科学二等奖(第一)、陈嘉庚青年科学奖、何梁何利创新奖、中国青年奖特别奖、科学探索奖、百千万人才工程、IEEE NPSS Early Achievement Award、亚太等离子体物理青年奖。SCI论文22篇引用本基金号，授权国家发明专利5项。