太赫兹波液体光子学的研究

Broadband terahertz (THz) waves can be generated through the interaction between ultrashort laser pulses and liquid media. The research topic on broadband THz wave generation, coherent detection, as well as theoretical investigation using liquid media as the THz wave source is named as “THz wave liquid photonics”. In this project, systematic investigation will be performed both experimentally and theoretically. In theory, we will phenomenologically use an effective dipole model to simulate some experimental results, such as propagation, spatial distribution, and polarization properties etc. of THz waves generated from liquid media, and then figure out the origin of such an effective dipole through further analysis. Finally, we will establish a relative complete theoretical model. In experiment, we will try to substantially increase the THz wave emission efficiency, for examples, by using different liquid samples, optimizing the experimental setup, as well as pump beam incident and THz beam output angles. Besides, pump-probe technique will be also applied to the optimization and be used to investigate the dynamics during the THz wave generation process inside liquid media. The ultimate goal for the project is to achieve high-field, broadband coherent THz radiation from such new liquid THz sources.

超短脉冲激光与液态介质相互作用可以产生宽带太赫兹波。我们把由超短脉冲激光激发的液体中宽带太赫兹波的产生、相干探测、以及相应的机理研究这个全新的研究领域统称为太赫兹波液体光子学。本项目旨在对太赫兹液体光子学进行系统的实验研究和理论模拟。理论上，首先唯象地用等效偶极子模型对从液体介质中产生的太赫兹波的传播和在空间上的强度分布及偏振特性等实验现象进行模拟；然后在此基础上分析并发掘这种等效偶极子产生的根源，从而建立较为完整的理论。实验上，通过包括采用不同液体样品、优化液体产生太赫兹波的装置、优化激发光束入射到液态介质膜和太赫兹波出射的角度、以及泵浦-探测等手段来进一步提高液态介质中产生太赫兹波的效率并进一步理解太赫兹波从液态介质中产生的动力学过程。该项目的最终目标是实现从这种新型的液态介质太赫兹源中产生强场、宽带的相干太赫兹波。

近年来，由于液体具有较高的分子密度和较低的电离阈值，液体等离子体被开发为一种新型的太赫兹源。本项目的研究围绕太赫兹波液体光子学这一范畴，主要对近期新兴的基于液体等离子体的太赫兹源进行研究，探索太赫兹波从液态介质中产生和传播过程中的新的物理现象和物理机制，并采用具有创新性的实验手段优化太赫兹波从液体介质产生的总体效率，提高输出太赫兹脉冲的峰值电场，从而推进这种新型的太赫兹源的应用。经过项目执行期间的研究，本项目达成了上述研究的主要目标，具体研究成果包括：（1）利用非对称光场激发液体等离子体产生太赫兹波，将输出太赫兹波能量提高两个数量级。（2）通过对液态水线中太赫兹波产生的系统的研究和优化，摸索出水线方案中太赫兹波产生的最优水线直径和激光脉宽。首次发现并进一步证实了液态水中产生太赫兹波在高功率泵浦下的饱和效应。（3）对液态水线中激光诱导等离子体的侧向太赫兹波辐射进行研究，通过调整太赫兹波的收集角度，将太赫兹波能量收集效率提高超过四倍。（4）研究了等离子体塑形放大液态水线中的太赫兹辐射，利用柱透镜组对液体等离子体塑形，从而有效地抑制了在高功率泵浦下的饱和效应并将电离的液态水线中太赫兹波能量输出提高约5倍。这些工作促进了对液态水中产生太赫兹辐射物理机制的理解和认知，显著提高了基于液体等离子体太赫兹源的输出效率，推动了液体太赫兹波源的实际应用。上述各项工作均已作为研究文章在SCI检索刊物发表。