超快科学 | 在空气等离子体中实现超宽带贝塞尔-太赫兹辐射

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导读

贝塞尔光束(Bessel beam)：光场振幅分布由第一类贝塞尔函数描述的电磁波，主要特点是无衍射传播、光斑模式自修复等。

贝塞尔光束振幅分布图与贝塞尔-高斯光束通过障碍复原的示意图（Egmason/Wikimedia Commons）

太赫兹波(Terahertz Wave)：频率在0.1 THz~10 THz（1 THz=10¹² Hz）范围（波长为3 μm~3 mm范围）的波。

太赫兹波在电磁频谱中的位置（engineering.electrical-equipment.org）

由于其独特的性质，贝塞尔光束在精密加工、医疗、成像等领域具有广泛应用价值。同时，在过去的二十年中，太赫兹科学技术的发展迫切需要各类太赫兹辐射源。于是二者的结合，即在太赫兹频谱范围内实现贝塞尔光束可解决当下许多的应用需求。

引用格式（点击阅读原文）

Zhelin Zhang, Jiayang Zhang, Yanping Chen, Tianhao Xia, Linzheng Wang, Bonan Han, Feng He, Zhengming Sheng, and Jie Zhang, “Bessel Terahertz Pulses from Superluminal Laser Plasma Filaments”, Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9870325, 6 pages, 2022.

迄今在太赫兹波段的贝塞尔光束产生主要是基于传统的光束整形技术：先准备太赫兹辐射源，再引入特定设计的光学元件对太赫兹源的光斑模式进行调制，进而实现太赫兹波段的贝塞尔光束。该类技术的局限性在于：（1）太赫兹光学元件自身的材料限制，使其在太赫兹波段只能覆盖较窄的频谱范围，对具有超宽带的太赫兹源而言，调制后获得的贝塞尔光束丢失了很多频率组分；亦或是可以覆盖较宽的频谱范围，但同时又有较大的吸收系数，从而使调制后的贝塞尔光束损失了大部分能量。（2）传统贝塞尔光束是通过光束局域交叉干涉实现的，因而无法传输到远场，使用传统光束整形技术获得的太赫兹贝塞尔光束存在同样的问题。

近日，上海交通大学物理与天文学院激光等离子体实验室陈燕萍、盛政明负责的太赫兹研究团队利用飞秒激光装置，通过操控双色激光形成空气等离子体通道的速度，突破传统光束整形元件的带宽限制瓶颈，实现了空气等离子体通道中超宽带太赫兹-贝塞尔光束的辐射。实验上，该团队利用双色飞秒激光，经透镜和锥透镜组聚焦之后，在空气中形成一条等离子体通道。锥透镜的特殊光学构造使等离子体通道的电离前沿在空气中的传播速度大于光速，即该空气等离子体通道具备“超光速”特性。通过控制超光速空气等离子体通道的长度，在远场获得了不同阶数的超宽带太赫兹-贝塞尔光束。

实验装置和贝塞尔-太赫兹波探测结果

理论上，该团队建立了“非线性偶极阵列”太赫兹辐射宏观模型，该模型中空气等离子体光丝中各个部分均被视为独立的太赫兹辐射点源，双色激光场不同频率分量在通道内的群速度色散使得等离子体通道不同部位辐射的太赫兹电场具有不同的相位和极性，空气等离子体通道的超光速特性使得通道不同部位辐射的不同极性太赫兹脉冲在传输时发生空间交叉和相长/相消干涉，进而在远场形成超宽带太赫兹-贝塞尔光束。该模型的预测与实验观测的结果相一致，为基于激光等离子体的宽带太赫兹辐射的光束整形技术奠定了基础。

“非线性偶极阵列”模型给出的贝塞尔-太赫兹波与实验的比较

总结与展望

本研究利用双色激光激发的超光速空气等离子体作为太赫兹辐射源，无需引入额外的太赫兹光束整形元件，可直接获得超宽带的太赫兹-贝塞尔光束。该方案既突破了传统太赫兹光束整形元件的带宽限制瓶颈，又有望克服太赫兹-贝塞尔光束近场传播的限制，实现远场传输。

太赫兹贝塞尔光束因其在成像方面的长景深等优势，在生物医学成像等领域具有极大的应用前景。基于激光等离子体作用的这种太赫兹源光束空间整形，结合之前发展的偏振态、频谱调控等技术，可以进一步拓展这类太赫兹源在不同领域的应用。

作者介绍

陈燕萍，上海交通大学物理与天文学院长聘副教授、博士生导师。在Nature Photonics、Physical Review Letters、Applied Physics Letters、Optics Letters等发表论文40余篇，主持过多项国家自然科学基金项目。主要研究方向包括超快光学、太赫兹科学技术和应用等。

盛政明，上海交通大学物理与天文学院长江特聘教授，曾获国家基金委杰出青年基金、国家自然科学二等奖、全球华人物理与天文学会亚洲成就奖、中国科学院杰出科技成就奖、中国物理学会饶毓泰物理奖、上海市自然科学一等奖等。长期从事激光等离子体物理基础研究，涉及强激光与等离子体作用产生的高能粒子加速机制、新型辐射源产生机制（从太赫兹至伽玛射线）、高能量密度等离子体特性、激光核聚变物理等课题。