雙色激光激勵對空氣中太赫茲輻射增強的研究

戴厚梅，孫 偉，汪東亮

(1．武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；2．中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢，430223；3．湖北君集環(huán)保股份有限公司, 湖北 武漢,430065)

雙色激光激勵對空氣中太赫茲輻射增強的研究

戴厚梅1，孫 偉2，汪東亮3

(1．武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；2．中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢，430223；3．湖北君集環(huán)保股份有限公司, 湖北 武漢,430065)

利用光電流模型模擬研究在泵浦光中引入400 nm倍頻光對空氣中太赫茲輻射的增強情況，其中空氣中氮氣離化過程考慮到二階離化，同時考慮電子在運動過程中與周圍離子、分子的碰撞 。結(jié)果表明，400 nm激光的引入打破了原激光電場的對稱性，導(dǎo)致了光電流中漂移成分的產(chǎn)生，大大增強了最后的太赫茲波輸出強度。

雙色激光；離化；大氣等離子體；太赫茲

太赫茲輻射是對波譜范圍在微波和紅外之間的一段電磁輻射的總稱，一般所謂的太赫茲波段其頻率范圍為0.1～10 THz，對應(yīng)波長為3000～30 μm。許多物體的熱輻射都在太赫茲波段，自然界中許多特征能量也位于該波段內(nèi)，如生物大分子的振動頻率、凝聚態(tài)物質(zhì)的聲子頻率、自旋軌道相互作用能量值、等離子體頻率等。因此，太赫茲輻射在材料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)以及軍事等方面都有著重要的應(yīng)用前景，如何得到更大功率的太赫茲輸出也就成了近年來非常熱門的一個研究領(lǐng)域。

1993年，Hamster等[1]采用峰值功率為1012W、脈寬為10-13s的激光激勵空氣，得到了太赫茲波段的電磁輻射，首次實現(xiàn)了在氣體等離子體中產(chǎn)生太赫茲波。2000年，L?ffler等[2]通過在大氣等離子體兩端施加一偏置電場，使最后得到的太赫茲波強度有一定程度的提高，但由于空間電荷對外加電場的屏蔽，此種方法下太赫茲波強度很難進(jìn)一步提高。為此，Cook等[3]提出了一種新方法，通過在泵浦光中引入一400 nm倍頻光的途徑，即用800 nm+400 nm雙色激光激勵大氣，使之輻射太赫茲波。由于雙色激光電場具有非對稱性，正是這一非對稱性大大增強了最后的太赫茲波輻射強度，而且雙色激光電場的頻率要遠(yuǎn)大于大氣等離子體的振蕩頻率，不會使外加電場受到空間電荷屏蔽效應(yīng)的限制，因此該方法是目前使空氣等離子體輻射太赫茲波的最佳方法。2006年，Xie等[4]通過實驗具體比較了引入400 nm二次諧波對太赫茲輻射的增強情況。本文從光電流模型出發(fā)，其中氮氣的離化過程考慮到二階離化，同時考慮電子在運動過程中與周圍離子、分子的碰撞，理論上模擬研究引入400 nm倍頻激光對太赫茲波輸出的增強情況。

1 理論模型

大氣分子在強激光場中的離化有多光子離化、閾上電離、隧道離化和過勢壘電離等幾種不同類型[5-6]。本次模擬中，選擇的激光光強都在Iω>1014W/cm2的范圍內(nèi)，大氣分子主要發(fā)生的是隧道離化，且其中氮氣需考慮到二階離化。隧道離化中，電子隧穿核的庫侖勢壘到達(dá)外自由空間，出來的瞬時速度近似為0，然后會在外激光電場中加速，其速度函數(shù)可以通過求解運動方程得到[7]。

隧道離化中，離化率W(t)為[6]：

(1)

離化過程中離化出的電子等離子體的粒子數(shù)密度n(t)的增長率表示為:

W″(t)[n′(t)-n″(t)]

(2)

式中：W′(t)為單階離化率；W″(t)為二階離化率；n0為大氣分子的初始密度，n0≈2.4×1019cm-3；n′(t)、n″(t)分別為單階和二階離化過程中離化出的電子等離子體的粒子數(shù)密度，n(t)=n′(t)+n″(t)。

離化的電子在外激光電場驅(qū)動下加速，運動方程如下[7]：

(3)

式中：v為電子速度；vei為碰撞率。

式(3)中，-veiv為電子在運動過程中與周圍離子及原子碰撞散射所導(dǎo)致的速度衰減項，碰撞率vei≈1012s-1[8]，即散射時間約為1 ps。

在隧道離化模型中，離化電子的初始速度近似當(dāng)成0處理，即v(t′)=0，t′為離化時刻，則電子在后面任意t時刻的速度為：

(4)

電子運動形成電子電流，電流強度J(t)的表達(dá)式為：

(5)

式中：t0為離化過程初始時刻；v(t,t′)為t′時刻離化出的電子在t時刻的速度；Ne(t′)為t′時刻電子等離子體粒子數(shù)密度的增長率，Ne(t′)=ω′(t′)·[n0-n′(t′)]+ω″(t′)[n′(t′)-n″(t′)]；ev(t,t′)·Ne(t′)dt′表示t′～(t′+dt′)時間段內(nèi)離化出的電子對t時刻電流強度的貢獻(xiàn)。

2 400 nm倍頻激光引入后的影響

高斯雙色激光組合的激光總電場表示為：

(6)

大氣分別在以上兩種激光場的作用下發(fā)生離化，由式(2)可以求出不同離化時間下的離化電子數(shù)密度，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，兩種激光場作用下大氣離化出的電子數(shù)密度都是先增加而后達(dá)到飽和，但兩者的飽和值有些許差別，800 nm單色光激勵情況下飽和值略大一些。

離化出來的電子在激光電場的作用下加速，形成橫向電子電流，求解方程(5)得出電子電流強度J(t)的值，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，對單色激光情況，電子電流只有振蕩的成分，當(dāng)激光消逝以后，電子電流也將減為0；而對于雙

色激光激勵的情況，400nm倍頻光的引入打破了激光電場的對稱性，故而導(dǎo)致形成的電子電流除了振蕩成分之外，還有一個漂移成分，在激光消逝以后仍然剩余的那一部分即是漂移電流的貢獻(xiàn)。

電子電流強度隨時間的變化可以產(chǎn)生一定的電磁輻射，里面包含太赫茲頻段。太赫茲波的強度直接正比于dJ/dt，dJ/dt可由圖2數(shù)據(jù)求導(dǎo)得到。對dJ/dt進(jìn)行傅里葉變換，可得整個電磁波段的輻射頻譜，從中截取太赫茲部分(見圖3)，然后通過逆傅里葉變換得到太赫茲波段的時域波形圖，如圖4所示。

從圖3和圖4中均可看出，雙色激光激勵情況下大氣能夠產(chǎn)生的太赫茲輻射量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于只用單色激光激勵的情況。主要原因可解釋為，400 nm倍頻激光的引入打破了原單色激光電場的對稱性，導(dǎo)致了光電流中產(chǎn)生漂移成分，在離化過程中，隨著電子數(shù)目的增多，該漂移直流成分隨時間的延長而增多，從而大大增強了最后的太赫茲波輸出強度。

Fig.3 THz radiation spectrum irritated by different laser pulses

3 結(jié)語

本文利用光電流模型，數(shù)值模擬了采用單色激光脈沖和雙色激光脈沖分別激勵大氣情況下太赫茲輻射的強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，400 nm倍頻激光的引入打破了原單色激光電場的對稱性，引起光電流中產(chǎn)生漂移成分，從而大大增強了最后的太赫茲波輸出強度。

[1] Hamster H, Sullivan A, Gordon S, et al. Subpicosecond, electromagnetic pulses from intense laser-plasma interaction[J]. Physical Review Letters, 1993, 71: 2725-2728.

[2] L?ffler T,Jacob F,Roskos H G.Generation of terahertz pulses by photoionization of electrically biased air[J].Applied Physics Letters,2000,77:453-455.

[3] Cook D J,Hochstrasser R M.Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air[J].Optics Letters,2000,25:1210-1212.

[4] Xie X, Dai J, Yamaguchi M, et al. Using air as the nonlinear media for THz wave generation[J]. Proceedings of SPIE, 2006, 6212:62120N.

[5] Schumacher D W, Bucksbaum P H. Phase dependence of intense-field ionization[J]. Physical Review A, 1996, 54: 4271-4278.

[6] Delone N B, Krainov V P. Atoms in strong light fields[M]. Berlin: Springer, 1985: 291.

[7] Cheng C C, Wright E M, Moloney J V. Generation of electromagnetic pulses from plasma channels induced by femtosecond light strings[J]. Physical Review Letters, 2001, 87:213001.

[8] Rodriguez G, Siders C W, Guo C, et al. Coherent ultrafast MI-FROG spectroscopy of optical field ionization in molecular H2,N2and O2[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2001,7:579-591.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

THz emission enhancement in air by two-color laser excitation

DaiHoumei1,SunWei2,WangDongliang3

(1. College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2. WISDRI Engineering and Research Incorporation Limited, Wuhan 430223, China; 3. Hubei Junji Environment Protection Corporation, Wuhan 430065, China)

Photocurrent model was used to study THz emission enhancement when air was irradiated by two-color laser pulses with introducing another 400 nm laser pulse. The second order ionization of nitrogen and the collision between the electrons and the surrounding ions and molecules were taken into account. The results show that the symmetry of laser field is broken by the introduction of the second harmonic 400 nm laser, which leads to the production of non-zero DC electron current and greater intensity of THz emission in the far field.

two-color laser; ionization; gas plasma; THz

2014-10-16

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃指導(dǎo)性項目(B2015351).

戴厚梅(1982-)，女，武漢科技大學(xué)講師，博士.E-mail:memorymoon@126.com

O437

A

1674-3644(2015)02-0148-04