Antikorreleret plasma- og THz-pulsgenerering under tofarvet laserfilamentering i luft

De stærke terahertz (THz) bølger genereret af femtosekund laserpuls-induceret gasplasma har trukket stor opmærksomhed på grund af den ultrabrede spektrale båndbredde, den høje elektriske feltstyrke og ingen tærskelværdi for materiel skade. Imidlertid fletter de rigelige og multidimensionelle krydsskala-lys-stof-interaktioner under filamentering sammen, interagerer og begrænser gensidigt, hvilket ikke kun sætter den fysiske mekanisme af THz-stråling under debat, men også begrænser optimeringsteknikkerne for THz-bølgegenerering.

Selvom THz-bølgen genereret fra tofarvet laserfeltfilamentering er blevet mest citeret for at være positivt korreleret med luftplasmadensiteten, har forskningen udført af prof. Weiwei Lius gruppe fra Nankai University og prof. Hiroaki Misawas gruppe fra Hokkaido University vist en negativ korrelation mellem den udstrålede THz-intensitet og plasmadensiteten under 1600 nm + 800 nm to-farve laserfilamentering. Elektronindfangningen af ​​det exciterede nitrogengasmolekyle i dets exciterede tilstande menes at være årsagen til den nedsatte plasmadensitet, mens den forøgede THz-stråling tilskrives den højere elektrondriftshastighed.

Ved at indstille tidsforsinkelsen mellem 1600 nm og 800 nm lasere, måles plasmadensiteten og findes en minimumsværdi nær nul forsinkelse. Den negative korrelation mellem plasmatætheden og THz-bølgestrålingsintensiteten afslører yderligere, at THz-strålingsintensiteten udviser maksimum ved den minimale plasmadensitet.

Det elektroniske energiniveau for nitrogenmolekylet er modelleret med DFT-metoden. Da fotonenergien i en 1600 nm laser er 0,78 eV og nitrogenmolekylets vibrationsenergi er 0,2 eV, kan en 1600 nm laser forårsage resonans, når elektronenergigabet er omkring 0,78±0,2 eV. Når nitrogengas exciteres af et 1600 nm og et 800 nm tofarvet felt samtidigt, vil elektronen blive pumpet til LUMO+7 energiniveau.

Desuden svarer energiforskellen mellem LUMO+6 og LUMO+7 til energien på 1600 nm foton. Derfor kan en 1600 nm laser inducere resonans mellem disse to energiniveauer for at fange elektroner, hvilket fører til faldet i plasmatæthed ved nul forsinkelse. Det bemærkes også, at selvom den frie elektrondensitet i plasmaet har en minimumsværdi, når Δt1 er lille, er det stadig muligt for J_net at nå toppen og derved udstråle den højeste THz-pulsenergi. Driftshastigheden accelereret af tofarvelaserfeltet er blevet bekræftet at spille en dominerende rolle under THz-pulsgenereringen.

Forskningsresultaterne tydeliggør ikke kun den relative betydning af elektrondriftshastighed og plasmatæthed i THz-stråling fra filamenter, men peger også på begrænsningerne ved den traditionelle fotostrømmodel. Resultaterne er af stor betydning for optimering af to-farve laserfilamentering til at generere stærke THz-bølger. Derudover stilles nye spørgsmål om optisk ioniseringsmekanisme i filamenter.

Forskningen blev offentliggjort i Ultrafast Science . + Udforsk yderligere

Sapphire femtosekund laserfilamentering i argon ved 1 kHz gentagelseshastighed