双色激光激励对空气中太赫兹辐射增强的研究

戴厚梅，孙 伟，汪东亮

(1．武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065；2．中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉，430223；3．湖北君集环保股份有限公司, 湖北 武汉,430065)

双色激光激励对空气中太赫兹辐射增强的研究

戴厚梅1，孙 伟2，汪东亮3

(1．武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065；2．中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉，430223；3．湖北君集环保股份有限公司, 湖北 武汉,430065)

利用光电流模型模拟研究在泵浦光中引入400 nm倍频光对空气中太赫兹辐射的增强情况，其中空气中氮气离化过程考虑到二阶离化，同时考虑电子在运动过程中与周围离子、分子的碰撞 。结果表明，400 nm激光的引入打破了原激光电场的对称性，导致了光电流中漂移成分的产生，大大增强了最后的太赫兹波输出强度。

双色激光；离化；大气等离子体；太赫兹

太赫兹辐射是对波谱范围在微波和红外之间的一段电磁辐射的总称，一般所谓的太赫兹波段其频率范围为0.1～10 THz，对应波长为3000～30 μm。许多物体的热辐射都在太赫兹波段，自然界中许多特征能量也位于该波段内，如生物大分子的振动频率、凝聚态物质的声子频率、自旋轨道相互作用能量值、等离子体频率等。因此，太赫兹辐射在材料学、物理学、生物学、医学、信息科学以及军事等方面都有着重要的应用前景，如何得到更大功率的太赫兹输出也就成了近年来非常热门的一个研究领域。

1993年，Hamster等[1]采用峰值功率为1012W、脉宽为10-13s的激光激励空气，得到了太赫兹波段的电磁辐射，首次实现了在气体等离子体中产生太赫兹波。2000年，Löffler等[2]通过在大气等离子体两端施加一偏置电场，使最后得到的太赫兹波强度有一定程度的提高，但由于空间电荷对外加电场的屏蔽，此种方法下太赫兹波强度很难进一步提高。为此，Cook等[3]提出了一种新方法，通过在泵浦光中引入一400 nm倍频光的途径，即用800 nm+400 nm双色激光激励大气，使之辐射太赫兹波。由于双色激光电场具有非对称性，正是这一非对称性大大增强了最后的太赫兹波辐射强度，而且双色激光电场的频率要远大于大气等离子体的振荡频率，不会使外加电场受到空间电荷屏蔽效应的限制，因此该方法是目前使空气等离子体辐射太赫兹波的最佳方法。2006年，Xie等[4]通过实验具体比较了引入400 nm二次谐波对太赫兹辐射的增强情况。本文从光电流模型出发，其中氮气的离化过程考虑到二阶离化，同时考虑电子在运动过程中与周围离子、分子的碰撞，理论上模拟研究引入400 nm倍频激光对太赫兹波输出的增强情况。

1 理论模型

大气分子在强激光场中的离化有多光子离化、阈上电离、隧道离化和过势垒电离等几种不同类型[5-6]。本次模拟中，选择的激光光强都在Iω>1014W/cm2的范围内，大气分子主要发生的是隧道离化，且其中氮气需考虑到二阶离化。隧道离化中，电子隧穿核的库仑势垒到达外自由空间，出来的瞬时速度近似为0，然后会在外激光电场中加速，其速度函数可以通过求解运动方程得到[7]。

隧道离化中，离化率W(t)为[6]：

(1)

离化过程中离化出的电子等离子体的粒子数密度n(t)的增长率表示为:

W″(t)[n′(t)-n″(t)]

(2)

式中：W′(t)为单阶离化率；W″(t)为二阶离化率；n0为大气分子的初始密度，n0≈2.4×1019cm-3；n′(t)、n″(t)分别为单阶和二阶离化过程中离化出的电子等离子体的粒子数密度，n(t)=n′(t)+n″(t)。

离化的电子在外激光电场驱动下加速，运动方程如下[7]：

(3)

式中：v为电子速度；vei为碰撞率。

式(3)中，-veiv为电子在运动过程中与周围离子及原子碰撞散射所导致的速度衰减项，碰撞率vei≈1012s-1[8]，即散射时间约为1 ps。

在隧道离化模型中，离化电子的初始速度近似当成0处理，即v(t′)=0，t′为离化时刻，则电子在后面任意t时刻的速度为：

(4)

电子运动形成电子电流，电流强度J(t)的表达式为：

(5)

式中：t0为离化过程初始时刻；v(t,t′)为t′时刻离化出的电子在t时刻的速度；Ne(t′)为t′时刻电子等离子体粒子数密度的增长率，Ne(t′)=ω′(t′)·[n0-n′(t′)]+ω″(t′)[n′(t′)-n″(t′)]；ev(t,t′)·Ne(t′)dt′表示t′～(t′+dt′)时间段内离化出的电子对t时刻电流强度的贡献。

2 400 nm倍频激光引入后的影响

高斯双色激光组合的激光总电场表示为：

(6)

大气分别在以上两种激光场的作用下发生离化，由式(2)可以求出不同离化时间下的离化电子数密度，结果如图1所示。从图1可以看出，两种激光场作用下大气离化出的电子数密度都是先增加而后达到饱和，但两者的饱和值有些许差别，800 nm单色光激励情况下饱和值略大一些。

离化出来的电子在激光电场的作用下加速，形成横向电子电流，求解方程(5)得出电子电流强度J(t)的值，结果如图2所示。从图2可以看出，对单色激光情况，电子电流只有振荡的成分，当激光消逝以后，电子电流也将减为0；而对于双

色激光激励的情况，400nm倍频光的引入打破了激光电场的对称性，故而导致形成的电子电流除了振荡成分之外，还有一个漂移成分，在激光消逝以后仍然剩余的那一部分即是漂移电流的贡献。

电子电流强度随时间的变化可以产生一定的电磁辐射，里面包含太赫兹频段。太赫兹波的强度直接正比于dJ/dt，dJ/dt可由图2数据求导得到。对dJ/dt进行傅里叶变换，可得整个电磁波段的辐射频谱，从中截取太赫兹部分(见图3)，然后通过逆傅里叶变换得到太赫兹波段的时域波形图，如图4所示。

从图3和图4中均可看出，双色激光激励情况下大气能够产生的太赫兹辐射量要远远大于只用单色激光激励的情况。主要原因可解释为，400 nm倍频激光的引入打破了原单色激光电场的对称性，导致了光电流中产生漂移成分，在离化过程中，随着电子数目的增多，该漂移直流成分随时间的延长而增多，从而大大增强了最后的太赫兹波输出强度。

Fig.3 THz radiation spectrum irritated by different laser pulses

3 结语

本文利用光电流模型，数值模拟了采用单色激光脉冲和双色激光脉冲分别激励大气情况下太赫兹辐射的强度，结果发现，400 nm倍频激光的引入打破了原单色激光电场的对称性，引起光电流中产生漂移成分，从而大大增强了最后的太赫兹波输出强度。

[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] Löffler 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.

[责任编辑 郑淑芳]

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

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目(B2015351).

戴厚梅(1982-)，女，武汉科技大学讲师，博士.E-mail:memorymoon@126.com

O437

A

1674-3644(2015)02-0148-04