可產生高能太赫茲脈衝的激光技術
上圖所示為兩個具有稍微延遲的激光閃光（左），通過非線性晶體產生一個高能太赫茲脈衝（右）。
來自德國電子加速器中心和漢堡大學的一組科學家在探索一種新型的緊湊型粒子加速器方面取得了重要的里程碑。利用超強激光脈衝，他們能夠在太赫茲範圍內產生具有清晰波長（顏色）的特別高能量的輻射閃光。太赫茲輻射將為新一代緊湊型粒子加速器開闢道路，這些加速器將在實驗室的工作台上找到空間。由漢堡自由電子激光科學中心（CFEL）的AndreasMaier和Franz K?rtner領導的團隊正在《自然通訊Nature Communications》雜誌上發表他們的發現。漢堡自由電子激光科學中心是由德國電子加速器中心、漢堡大學和馬克斯普朗克學會共同運營。
電磁輻射的太赫茲範圍介於紅外和微波頻率之間。航空旅客可能熟悉機場保安用來尋找藏在人衣服下物體的全身掃描儀發出的太赫茲輻射。然而，在這個頻率範圍內的輻射也可以用來製造緊湊的粒子加速器。」德國電子加速器中心的首席科學家Franz K?rtner說：「太赫茲輻射的波長大約比目前用來加速粒子的無線電波短1000倍。這意味著加速器的部件也可以被建造成大約1000倍的更小。」因此，高能太赫茲脈衝的產生也是由歐洲研究理事會（ERC）資助的漢堡自由電子激光科學中心的AXSIS（阿托秒X射線科學前沿：成像和光譜學）項目的一個重要步驟，該項目旨在用緊湊的太赫茲粒子加速器打開全新的應用。
然而，沿著相當數量的粒子運動，需要具有明確波長的強大太赫茲輻射脈衝。這正是團隊現在努力創造的。「為了產生太赫茲脈衝，我們將兩個強大的激光脈衝發射到所謂的非線性晶體中，兩者之間的時間延遲最小，」漢堡大學的Maier解釋說。這兩個激光脈衝有一種顏色梯度，這意味著脈衝前面的顏色與後面的顏色不同。因此，兩個脈衝之間的輕微時間移動會導致顏色上的輕微差異。「這種差異恰恰在太赫茲範圍內，」Maier說。「晶體將顏色差異轉換成太赫茲脈衝。」
該方法要求兩個激光脈衝精確同步。科學家們通過將一個脈衝分成兩部分，並將其中一部分發送到一個較短的迂迴道上，從而在兩個脈衝最終再次疊加之前稍微延遲。然而，沿脈衝的顏色梯度不是恆定的，換句話說，顏色不會沿脈衝長度均勻變化。相反，顏色起初變化緩慢，然後越來越快，產生一個曲線輪廓。因此，兩個交錯脈衝之間的色差不是恆定的。這種差異只適用於在窄脈衝範圍內產生太赫茲輻射。
「這是製造高能太赫茲脈衝的一大障礙，」Maier報告說。因為校正脈衝的顏色梯度是很明顯的解決方案，在實踐中並不容易做到。」作者之一Nicholas Matlis提出了一個關鍵的想法：他建議兩個部分脈衝中的一個的顏色輪廓應該沿著時間軸略微拉伸。雖然這仍然不會改變顏色隨脈衝變化的程度，但相對於其他部分脈衝的色差現在始終保持不變。「需要對其中一個脈衝進行的改變是最小的，而且非常容易實現：所需要的只是在光束中插入一小段特殊的玻璃，」Maier報告說。「突然之間，太赫茲信號變強了13倍。」此外，科學家們用一個特別大的非線性晶體產生太赫茲輻射，這是日本岡崎分子科學研究所專門為他們製造的。
K?rtner說：「通過結合這兩種測量方法，我們能夠產生能量為0.6毫焦耳的太赫茲脈衝，這是這項技術的一項記錄，比以前用光學方法產生的任何波長明確的太赫茲脈衝都高出10倍多。我們的研究表明，為了操作緊湊的粒子加速器，有可能產生足夠強大的太赫茲脈衝，且其波長非常明確。」
來源：https://phys.org/news/2019-06-laser-high-energy-terahertz-pulses.html
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