近日，上海師范大學數理學院劉建勝課題組與南開大學劉偉偉教授報道了飛秒強激光驅動強太赫茲表面波和強太赫茲輻射源的最新研究進展。研究人員利用飛秒強激光驅動在鎢金屬絲表面激發極短脈沖的強電流產生了高轉換效率（>2%）、1-20THz頻率范圍內可調諧的強太赫茲表面波和太赫茲輻射源，并闡釋了新的物理機制。該研究成果近期以“Radiation Dynamics and Manipulation of Extreme Terahertz Surface Wave on a Metal Wire”為題，于2024年9月5日在線發表于光學領域國際權威期刊Laser & Photonics Reviews (IF=11.2，中科院和JCR分區均為1區)。上海師范大學為第一單位，數理學院2021級博士生王健碩，張志鈞副研究員、周詩怡助理研究員、秦志勇副研究員、余昌海副研究員為論文共同第一作者，劉建勝研究員和南開大學現代光學研究所劉偉偉教授為論文通訊作者。

在電磁波譜上，太赫茲波處于射頻與紅外之間(0.1-30 THz)，因其難以通過電子學或光子學的技術高效產生和測量，仍然是當今最具挑戰的領域之一。由于在生物、醫學、電荷載流子動力學、電子計量學、太赫茲加速等領域具有廣泛的應用價值，太赫茲技術被列為“改變未來世界的十大技術”之一。長期以來，電子學方法存在難以產生極高頻（> 0.1 THz）強電流或強電磁波的技術瓶頸,而光子學方法一般面臨擊穿閾值和帶寬的限制，能量轉化效率突破存在挑戰。令人欣喜的是，基于飛秒強激光在金屬絲上驅動極短脈沖的強電流有望建立一座橋梁，將電子學和光學方法有機結合起來，為填補太赫茲間隙（Terahertz Gap）提供一種非常高效的新途徑。

前期，已有研究人員開展了超短脈沖激光輻照金屬絲產生強電磁場或表面波的研究，最初的目的是用來導引電子束或產生脈沖強磁場。后來，研究人員發現并觀測到在金屬絲末端能輻射強太赫茲波，但迄今報道的都是低頻（<1 THz）太赫茲即亞太赫茲輻射，測量到的表面波和太赫茲波的周期遠遠大于驅動激光的脈寬，這種差別背后真正的物理原因并沒有受到關注。由于缺乏關于表面波起源及其傳輸、輻射機制的清晰物理圖像，相應的實驗測量也由于受到測量帶寬的限制，起主導作用的高頻太赫茲表面波及輻射并沒有被觀測到，導致研究人員未能意識到利用激光輻照金屬絲產生高頻太赫茲輻射這一潛在高效的新途徑。

圖1 太赫茲產生和診斷實驗示意圖。（a）飛秒強激光輻照金屬絲產生高轉換效率、頻率可調諧的強太赫茲表面波和太赫茲輻射源。（b）太赫茲輻射的光斑和能量測量。（c）電光采樣測量太赫茲場波形。（d）基于邁克爾遜干涉儀的場自相關測量。

基于上海師范大學數理學院的超快光物理實驗研究平臺，劉建勝研究團隊利用千赫茲飛秒強激光（25 fs，10 mJ）驅動金屬絲靶對太赫茲輻射開展了深入的實驗理論研究。相較于前期報道中只對低頻太赫茲輻射的測量，研究團隊在實驗中通過發展高時間分辨的電光采樣和場自相關干涉等技術，對高頻太赫茲輻射的頻譜、偏振、空間分布以及輻射能量隨金屬絲長度的關系進行了系統全面的測量，并首次觀測到太赫茲輻射中包含兩種頻率成份，一種是低頻（峰值頻率 ~ 0.5 THz）太赫茲輻射，另一種為高頻太赫茲輻射（峰值頻率 ~ 8 THz）?？偟奶掌澼椛滢D換效率在0.27π的接收立體角內達到2.1%，其中高頻太赫茲輻射占主導，轉換效率高達1.6%，而且通過調節驅動激光的脈沖寬度可實現1-20 THz范圍內的調諧。此外，也觀測到兩種太赫茲輻射的強度均隨金屬絲長度增加而放大的現象。

圖2測量的太赫茲場和頻譜。（a）30 fs驅動激光條件下采用電光采樣測量的太赫茲場波形。（b）重構的低頻和高頻太赫茲場波形。（c）分別采用電光采樣和場自相關測量的太赫茲頻譜。（d-h）不同激光脈寬條件下測量的場自相關信號。（i）不同激光脈寬條件下的太赫茲頻譜，其中的小圖顯示了不同激光脈寬條件下的低頻太赫茲頻譜。

基于實驗中觀測到的兩種頻率的太赫茲輻射，研究團隊提出了基于激光驅動的電流天線輻射模型闡釋了金屬絲上極端太赫茲表面波起源、傳輸以及輻射的動力學過程和物理機制，并通過建立包括Particle-in-cell 粒子模擬和3維電磁仿真的從頭到尾模擬計算給出了太赫茲表面波傳輸和演化的圖像，發現在金屬絲表面能夠產生和傳輸極強極短脈沖徑向偏振的表面波即極端高頻太赫茲表面波。高頻太赫茲表面波在傳輸過程中，會在金屬表面電子氣中激發具有多周期尾波場結構的表面波，從而輻射出多周期的太赫茲波。高頻太赫茲表面波及太赫茲輻射主要來源于金屬絲表面的電子被強光場快速拉出產生的電荷分離場所激發冷電子回流產生的表面電流，其脈沖寬度與驅動激光的脈沖寬度相當，因此可以通過調節驅動激光的脈沖寬度進行操控。

圖3激光驅動的電流天線輻射模型。（a）激光驅動太赫茲表面波，自調制傳輸以及太赫茲輻射的圖像。（b）線性機制下的電流天線輻射模型。（c）周期尾波場結構的太赫茲表面波。（d）輻射的太赫茲波。

本項研究首次在實驗上對激光輻照金屬絲靶產生的高頻太赫茲輻射進行了測量，第一次觀測到雙頻率成份高轉換效率的太赫茲輻射，并提出基于激光驅動的電流天線輻射模型開展從頭到尾模擬計算給出了激光驅動金屬絲產生極端太赫茲表面波及其輻射動力學的全新物理圖像。通過飛秒強激光驅動在金屬絲表面激發超短脈沖的強電流，可以將電子學和光學方法有機結合起來，為產生高轉換效率、寬頻譜范圍可調諧的強太赫茲輻射提供一種非常高效的新途徑。

此外，金屬絲不僅可以作為產生極端強太赫茲波輻射的優良介質，還可以作為波導傳輸導引太赫茲表面波，通過設計金屬絲的結構可以調控太赫茲表面波的場結構，為開發其在生物、醫學、電荷載流子動力學、電子計量學、太赫茲加速等領域的應用帶來更多便利的優勢。本項工作也為進一步深入理解金屬絲上的太赫茲輻射動力學過程和優化調控太赫茲表面波提供了新方向。

該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市教委科創重大項目的資助。

（供稿、圖片：數理學院）

論文鏈接網址：https://doi.org/10.1002/lpor.202400954