太赫茲波是指頻率處于0.1 THz（1012Hz）到10 THz之間的電磁波。這個波段處于電子學和光子學傳統波段的“空隙”區，因而缺乏有效的產生和探測方法。但是，太赫茲波有著非常廣泛的用途，例如：許多生物大分子的骨架振動、晶體中晶格的低頻振動等均處于太赫茲波段，因此太赫茲成像等方法在對這些領域的研究起著不可替代的作用；人體自身也會產生太赫茲波，并且可以穿透衣物，因而太赫茲成像技術可以用于安全檢查。目前，太赫茲波的產生、探測和應用得到了廣泛關注。

在強太赫茲波產生方面，“雙色激光”方案因為高的效率而被人們強烈的關注和持續的研究。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生近1GV/m的太赫茲波。中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(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盛政明教授等人對該方案進行了長期理論研究，取得了多項成果。比如2008年提出了一個對其物理機制進行了完整描述理論模型，以及進一步提高太赫茲波產生效率的方案[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生線偏振、單周期、寬頻譜的太赫茲波。為了拓寬該方案的應用范圍，需要找到能夠對其偏振、頻譜等進行調控的有效手段。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，提出了一種利用強磁場對其進行調控的全新方案，即在原有方案的基礎上，施加一個沿著激光傳播方向的靜磁場。加入該磁場后，產生的太赫茲波由線偏振變成了圓偏振，圓偏振波的旋轉方向可以由外加磁場符號來控制；波形由單周期結構（寬譜）變成多周期結構（窄譜）；太赫茲波頻率可由磁場強度線性控制；太赫茲波強度可由磁場強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了上述方案，并提出了一個完備的理論模型。這為以全光學的方式產生一種偏振、頻率、波形和場強均可調諧的新型太赫茲波源提供了新思路。該研究結果已經發表在Phys. Rev. Lett. 114, 253901 (2015)。

本項研究工作得到國家自然科學基金重點項目、科技部973項目、教育部IFSA協同創新中心和中國科學院的支持。

圖1：示意圖。(a)原始雙色激光方案：離化電流驅動等離子體本征振蕩，使得產生的太赫茲波頻率為等離子體頻率ωp、線偏振態、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，使得產生的太赫茲波頻率為電子回旋頻率ωc、圓偏振態、多周期波形。

圖2：KLAPS粒子模擬結果。[(a), (b)]產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，其中外加磁場強度為178特斯拉（對應的電子回旋頻率為5THz）。作為對比，在(c)圖用兩條虛線給出了無外加磁場時產生的太赫茲波的兩個電場分量。結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。

來源：中國科學院物理研究所