在強(qiáng)太赫茲波產(chǎn)生方面，“雙色激光”方案因為高的效率而被人們強(qiáng)烈的關(guān)注和持續(xù)的研究。它把基頻激光和其倍頻光混合后聚焦在氣體中，通過離化電流可以產(chǎn)生近1GV/m的太赫茲波。中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室李玉同研究組的王偉民副研究員和上海交通大學(xué)盛政明教授等人對該方案進(jìn)行了長期理論研究，取得了多項成果。比如2008年提出了一個對其物理機(jī)制進(jìn)行了完整描述理論模型，以及進(jìn)一步提高太赫茲波產(chǎn)生效率的方案[Opt. Express 16, 16999]；2011年首次提出利用中紅外激光大幅提高太赫茲波強(qiáng)度的方案[Opt. Lett. 36, 2608]，并被后來的實驗證實。

　　上述雙色激光方案通常只能產(chǎn)生線偏振、單周期、寬頻譜的太赫茲波。為了拓寬該方案的應(yīng)用范圍，需要找到能夠?qū)ζ淦瘛㈩l譜等進(jìn)行調(diào)控的有效手段。為此，王偉民、盛政明、李玉同以及德國Juelich超算中心的Paul Gibbon教授合作，提出了一種利用強(qiáng)磁場對其進(jìn)行調(diào)控的全新方案，即在原有方案的基礎(chǔ)上，施加一個沿著激光傳播方向的靜磁場。加入該磁場后，產(chǎn)生的太赫茲波由線偏振變成了圓偏振，圓偏振波的旋轉(zhuǎn)方向可以由外加磁場符號來控制；波形由單周期結(jié)構(gòu)（寬譜）變成多周期結(jié)構(gòu)（窄譜）；太赫茲波頻率可由磁場強(qiáng)度線性控制；太赫茲波強(qiáng)度可由磁場強(qiáng)度和氣體密度共同控制。他們利用二維和三維粒子模擬完全再現(xiàn)了上述方案，并提出了一個完備的理論模型。這為以全光學(xué)的方式產(chǎn)生一種偏振、頻率、波形和場強(qiáng)均可調(diào)諧的新型太赫茲波源提供了新思路。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 114, 253901 (2015)。

　　本項研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目、科技部973項目、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心和中國科學(xué)院的支持。

 

圖1：示意圖。(a)原始雙色激光方案：離化電流驅(qū)動等離子體本征振蕩，使得產(chǎn)生的太赫茲波頻率為等離子體頻率ωp、線偏振態(tài)、單周期波形；(b)磁場控制的雙色激光方案：等離子體電子在外加磁場作用下做近回旋運動，使得產(chǎn)生的太赫茲波頻率為電子回旋頻率ωc、圓偏振態(tài)、多周期波形。 

圖2：KLAPS粒子模擬結(jié)果。[(a), (b)]產(chǎn)生的太赫茲波的兩個電場分量Ey和Ez在某時刻的空間分布圖，(c)為電場在軸心處的分布圖，其中外加磁場強(qiáng)度為178特斯拉（對應(yīng)的電子回旋頻率為5THz）。作為對比，在(c)圖用兩條虛線給出了無外加磁場時產(chǎn)生的太赫茲波的兩個電場分量。結(jié)果顯示外加磁場使得原來的頻率為1THz、單周期、線偏振（僅Ez分量）的太赫茲波，變成頻率為5THz、多周期、圓偏振的太赫茲波。