产生超强太赫兹辐射源的新方法问世

英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）和北京首都师范大学的科学家们正在开发一种新的超强太赫兹（terahertz，THz）辐射源，可以提供更安全的X射线替代品，有很多潜在的工业应用。

与可见光不同的是，太赫兹辐射可以穿透塑料、纸板、木材和复合材料等，使其成为用于成像和安保的有害X射线的极佳替代品。尽管众所周知太赫兹电磁波可以承载远超Wi-Fi的超高带宽通信，但它探测分子和分析半导体的探针的用处还不被人们所熟知。斯特拉斯克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授领导的研究小组通过实验证明，通过激光尾波场加速器（LWFA）除了能发射出高能量、低电荷的光束外，还可以产生超高电荷的相对论电子束。

研究小组表明，当超强超短激光脉冲集中到氦气中时，形成几乎以光速移动的等离子体气泡。这些高电荷的电子束不同于通常的低电荷（微微库仑）、高能量（百兆电子伏特至千兆电子伏）、从激光尾波场加速器中观察到的持续时间为飞秒级的电子束。这项研究发表在《新物理学杂志》（New Journal of Physics）上。苏格兰应用等离子体加速器中心（SCAPA）主任Jaroszynski教授启动了该项目，他表示：“对太赫兹能源来说，已达到了前所未有的效率，超强太赫兹辐射源变得越来越容易得到，将会给科学和技术领域开创全新的道路。”“新工具为科学家带来了新的进展，超强的太赫兹辐射与物质的相互作用允许进入非线性过程，从而能够识别通常隐藏的现象，以及对物质的独特控制，例如使用高太赫兹场或半导体的能带扭曲结构来排列分子。

“SCAPA为研究这些现象提供了一个理想的环境，这将促进科学取得新的进展，我们的理论研究是朝着这个激动人心的新方向上迈出的第一步。”斯特拉斯克莱德大学物理系的Enrico Brunetti博士对研究进行了大量的模拟。他说：“由于宽角光束的电荷随着激光强度和等离子体密度呈线性增加，因此太赫兹辐射的能量将按比例变为毫焦级，这将成为峰值功率超过千兆瓦的超强太赫兹辐射源，可以与远红外线自由电子激光器相媲美，达到1%的光-太赫兹转换效率。”首都师范大学的研究员薛杨博士表示：“当电子穿过介电常数不同的介质交界面时，发射的跃迁辐射会覆盖较广的频率范围。”“模拟显示，激光尾波场加速器发射的宽角电子束在穿过薄金属箔或加速器的等离子体-真空边界时产生能量为10微焦耳至100微焦耳的相干太赫兹辐射。

”太赫兹辐射是远红外电磁辐射，频率在0.1THz至10THz（1THz = 10^12Hz）之间，位于中红外和微波光谱之间。大分子的振动和旋转光谱指纹区与太赫兹波段一致，这使得太赫兹光谱成为识别有害物质（如药物和爆炸物）的强大工具。此外，太赫兹辐射对于生物学和医学非常重要，因为许多生物大分子如DNA和蛋白质在太赫兹频率会发生集体运动。太赫兹辐射也可用于探索半导体和纳米结构的复杂性，因此是开发机电器件和太阳能电池的重要工具。

有许多不同的产生太赫兹辐射的方法存在，包括驱动半导体天线中的光电流，激发量子阱和电光晶体中的光学整流。但是，由于高功率光学材料受到破坏，其最大功率受到限制。相比之下，等离子体因为本身已经被破坏而没有这样的限制。新的研究表明，这些高电荷、纳库精度（nanocoloumb）和相对低能量（兆电子伏，MeV）亚皮秒持续时间的电子束以空心圆锥的形态发射，其开口角度与激光束轴线呈45度左右。研究人员发现，激光能量可以有效地转化为超强太赫兹辐射脉冲。这项研究由工程和物理科学研究委员会资助。