太赫茲波通常指頻率處于0.1THz到10THz的電磁波。由于波段獨特，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)諧的強太赫茲輻射源是一個長期存在的難題。近三十年的研究表明，等離子體可以把強激光轉(zhuǎn)化成強太赫茲輻射源。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，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的強太赫茲波。該方案自提出以來，其物理機制一直存在著爭議，存在等離子體電流模型和非線性光學的多波混頻兩種不同的理論模型。同時，在所有的實驗中，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實驗室L05組王偉民、李玉同和上海交通大學盛政明等人針對以上問題進行了理論和實驗研究。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張亮亮、張巖實驗團隊合作，首次在實驗上證實了理論預(yù)測，演示了雙色場方案在波長比為4:1和3:2時，也能夠有效地產(chǎn)生太赫茲波。實驗上還觀察到，太赫茲波的偏振可以通過旋轉(zhuǎn)較長波長激光的偏振進行調(diào)節(jié)，但是旋轉(zhuǎn)較短波長激光的偏振時，該偏振調(diào)節(jié)方法失效；取不同的激光波長比時，太赫茲波能量滿足相似的定標率。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率等預(yù)測相矛盾。相反地，以上兩個實驗結(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率，并在激光強度比較低的情況下滿足線性定標率。該系列工作進一步證實了其物理機制應(yīng)主要歸結(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基金委、國家重點基礎(chǔ)研究計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、教育部激光聚變科學與應(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?shù)诙す獠ㄩL為1600nm時，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”點為實驗結(jié)果，實線為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。此實驗結(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”點為實驗結(jié)果，實線為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，實驗結(jié)果不符合這些定標率。當激光功率比較低時（曲線的開始階段），在不同波長比情形均滿足線性定標率，這與根據(jù)等離子體電流模型預(yù)測一致。在兩幅圖中“x”點為實驗結(jié)果，實線為KLAPS粒子模擬（PIC）結(jié)果