太赫茲波通常指頻率處于0.1THz到10THz的電磁波。由于波段獨(dú)特，太赫茲波在多各領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，但如何產(chǎn)生可調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲輻射源是一個(gè)長期存在的難題。近三十年的研究表明，等離子體可以把強(qiáng)激光轉(zhuǎn)化成強(qiáng)太赫茲輻射源。其中，2000年提出的“雙色場方案”，由于轉(zhuǎn)換效率高和技術(shù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，得到最為廣泛的關(guān)注。在雙色場方案中，一束常規(guī)的800nm激光穿過一塊倍頻晶體產(chǎn)生的400nm激光，后者與剩余的800nm激光混合，在大氣中就能產(chǎn)生MV/cm的強(qiáng)太赫茲波。該方案自提出以來，其物理機(jī)制一直存在著爭議，存在等離子體電流模型和非線性光學(xué)的多波混頻兩種不同的理論模型。同時(shí)，在所有的實(shí)驗(yàn)中，兩束模型的激光波長比始終固定在2:1，是否能夠?qū)⑵渫茝V至其它波長比尚不清晰。

中國科學(xué)院物理研究所、北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L05組王偉民、李玉同和上海交通大學(xué)盛政明等人針對以上問題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。2013年，他們首次從理論上預(yù)測了雙色場方案可以推廣到4:1、6:1等波長比。2017年，他們后續(xù)的理論工作進(jìn)一步預(yù)測雙色場方案可以推廣到波長比為2n:1、(n+0.5):1系列（n為正整數(shù)）。基于上述理論工作，王偉民與首都師范大學(xué)張亮亮、張巖實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了理論預(yù)測，演示了雙色場方案在波長比為4:1和3:2時(shí)，也能夠有效地產(chǎn)生太赫茲波。實(shí)驗(yàn)上還觀察到，太赫茲波的偏振可以通過旋轉(zhuǎn)較長波長激光的偏振進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是旋轉(zhuǎn)較短波長激光的偏振時(shí)，該偏振調(diào)節(jié)方法失效；取不同的激光波長比時(shí)，太赫茲波能量滿足相似的定標(biāo)率。這些現(xiàn)象與多波混頻理論模型給出的關(guān)于介電張量對稱性、不同波長比條件下太赫茲波能量具有不同的定標(biāo)率等預(yù)測相矛盾。相反地，以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與王偉民等人的等離子體電流模型結(jié)果一致：太赫茲波橢圓偏振率正比于(λ_長/λ_短)⁴；在不同波長比條件下，太赫茲波能量滿足相似的定標(biāo)率，并在激光強(qiáng)度比較低的情況下滿足線性定標(biāo)率。該系列工作進(jìn)一步證實(shí)了其物理機(jī)制應(yīng)主要?dú)w結(jié)為等離子體電流模型，對基于“雙色場方案”的太赫茲輻射產(chǎn)生和調(diào)控具有重要指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett.和Phys. Rev. A/E上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、教育部激光聚變科學(xué)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。

圖1.左圖中第一束激光波長為800nm，第二束激光波長在1200nm到1600nm間變化，發(fā)現(xiàn)太赫茲波能量峰值出現(xiàn)在1200nm和1600nm附近（波長比為3:2和2:1）；右圖中第一束激光波長為400nm，當(dāng)?shù)诙す獠ㄩL為1600nm時(shí)，出現(xiàn)太赫茲波能量峰值，對應(yīng)的波長比為4:1。在兩幅圖中“x”點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線為KLAPS粒子模擬（PIC）結(jié)果

圖2.雙色場方案中采用400nm和1600nm激光組合，兩束激光初始偏振均在水平方向上，然后分別旋轉(zhuǎn)1600nm激光的偏振（左圖）和400nm激光的偏振（右圖），讓其具有豎直方向的分量。在左圖中隨著1600nm激光的旋轉(zhuǎn)角從0增加到90度，太赫茲波水平分量逐漸減小，豎直分量先增加再較小；在右圖中隨著400nm激光的旋轉(zhuǎn)角從0增加到90度，太赫茲波豎直分量始終處于很低的水平。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)等離子體電流模型預(yù)測的太赫茲波橢圓偏振率正比于(λ_長/λ_短)⁴相符。在兩幅圖中“o”點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線為KLAPS粒子模擬（PIC）結(jié)果

圖3.太赫茲波能量?_THz隨激光峰值功率的變化，左圖中激光波長比為4:1，右圖中波長比為3:2。根據(jù)多波混頻理論的預(yù)測，左圖中?_THz應(yīng)該正比于(P1600nm)⁴，右圖中?_THz應(yīng)該正比于(P800nm)²，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合這些定標(biāo)率。當(dāng)激光功率比較低時(shí)（曲線的開始階段），在不同波長比情形均滿足線性定標(biāo)率，這與根據(jù)等離子體電流模型預(yù)測一致。在兩幅圖中“x”點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線為KLAPS粒子模擬（PIC）結(jié)果