Schema för experimentuppställningen. Kredit:Ultrafast Science
De starka terahertz (THz)-vågorna som genereras av femtosekundlaserpulsinducerad gasplasma har väckt stor uppmärksamhet på grund av den ultravida spektrala bandbredden, den höga elektriska fältstyrkan och ingen materiell skada tröskel. Men de rikliga och flerdimensionella korsskaliga ljus-materia-interaktionerna under glödtråden flätas samman, interagerar och begränsar ömsesidigt, vilket inte bara sätter den fysiska mekanismen för THz-strålning under debatt, utan också begränsar optimeringsteknikerna för THz-våggenerering.
Även om THz-vågen som genereras från tvåfärgslaserfältsfilamenteringen mest har citerats vara positivt korrelerad med luftplasmans densitet, har forskningen utförd av professor Weiwei Lius grupp från Nankai University och Prof. Hiroaki Misawas grupp från Hokkaido University visat en negativ korrelation mellan den utstrålade THz-intensiteten och plasmadensiteten under 1600 nm + 800 nm tvåfärgad laserfilamentering. Elektroninfångningen av den exciterade kvävgasmolekylen i dess exciterade tillstånd tros vara orsaken till den sänkta plasmadensiteten, medan den förstärkta THz-strålningen tillskrivs den högre elektrondrivningshastigheten.
Genom att ställa in tidsfördröjningen mellan 1600 nm och 800 nm lasrar, mäts plasmadensiteten och hittas ett minimivärde nära noll fördröjning. Den negativa korrelationen mellan plasmadensiteten och THz-vågstrålningsintensiteten avslöjar vidare att THz-strålningsintensiteten uppvisar maximalt vid minimal plasmadensitet.
Den elektroniska energinivån för kvävemolekylen modelleras med DFT-metoden. Eftersom fotonenergin för en 1600 nm laser är 0,78 eV och vibrationsenergin för kvävemolekylen är 0,2 eV, kan en 1600 nm laser orsaka resonans när elektronenergigapet är cirka 0,78±0,2 eV. När kvävgas exciteras av ett 1600 nm och ett 800 nm tvåfärgsfält samtidigt, kommer elektronen att pumpas till LUMO+7 energinivå.
(a) Förhållandet mellan glödtrådens plasmadensitet och tidsfördröjningen för tvåfärgsfältet (Δt1); (b) Den genererade THz-effektiviteten som en funktion av Δt1 i experimentet visas som den svarta heldragna linjen medan de simulerade THz-relativa intensiteterna för den empiriska modellen representeras som blå streckad linje. Fri elektrondensitet med olika retardationer mättes på glödtrådsaxeln vid z=2,7 mm och visades som en röd streckad linje. Kredit:Ultrafast Science
(a) Beräknad elektronisk energinivå för kvävemolekylen; (b) Variation av nettoström Jnet som funktion av Δt1. Kredit:Ultrafast Science
Dessutom motsvarar energiskillnaden mellan LUMO+6 och LUMO+7 energin för 1600 nm foton. Därför kan en 1600 nm laser inducera resonans mellan dessa två energinivåer för att fånga elektroner, vilket leder till minskningen av plasmadensiteten vid noll fördröjning. Det noteras också att även om den fria elektrondensiteten i plasman har ett minimivärde när Δt1 är litet, är det fortfarande möjligt för Jnet för att nå toppen och därigenom utstråla den högsta THz-pulsenergin. Den drivande hastigheten som accelereras av det tvåfärgade laserfältet har bekräftats spela en dominerande roll under THz-pulsgenereringen.
Forskningsresultaten klargör inte bara den relativa betydelsen av elektrondrifthastighet och plasmadensitet i THz-strålning av filament, utan pekar också på begränsningarna hos den traditionella fotoströmmodellen. Resultaten är av stor betydelse för att optimera tvåfärgslaserfilamenteringen för att generera starka THz-vågor. Dessutom ställs nya frågor om optisk joniseringsmekanism i filament.
Forskningen publicerades i Ultrafast Science . + Utforska vidare
