De sterke terahertz (THz) -golven die worden gegenereerd door femtoseconde laserpuls-geïnduceerd gasplasma hebben veel aandacht getrokken vanwege de ultrabrede spectrale bandbreedte, de hoge elektrische veldsterkte en geen drempel voor materiële schade. De overvloedige en multidimensionale cross-scale licht-materie-interacties tijdens filamentatie verstrengelen, interageren en beperken elkaar echter, wat niet alleen het fysieke mechanisme van THz-straling ter discussie stelt, maar ook de optimalisatietechnieken van THz-golfgeneratie beperkt.

Hoewel de THz-golf die wordt gegenereerd door de tweekleurige laserveldfilamentatie het meest wordt genoemd als positief gecorreleerd met de luchtplasmadichtheid, heeft het onderzoek uitgevoerd door de groep van prof. Weiwei Liu van de Nankai University en de groep van prof. Hiroaki Misawa van de universiteit van Hokkaido aangetoond een negatieve correlatie tussen de uitgestraalde THz-intensiteit en de plasmadichtheid tijdens 1600 nm + 800 nm tweekleurige laserfilamentatie. Aangenomen wordt dat de elektronenvangst van het geëxciteerde stikstofgasmolecuul in zijn aangeslagen toestand de oorzaak is van de verlaagde plasmadichtheid, terwijl de verhoogde THz-straling wordt toegeschreven aan de hogere elektronendriftsnelheid.

Door de tijdvertraging tussen 1600 nm en 800 nm lasers af te stemmen, wordt de plasmadichtheid gemeten en een minimale waarde gevonden die bijna nul vertraging is. De negatieve correlatie tussen de plasmadichtheid en de THz-golfstralingsintensiteit laat verder zien dat de THz-stralingsintensiteit maximaal vertoont bij de minimale plasmadichtheid.

Het elektronische energieniveau van het stikstofmolecuul wordt gemodelleerd met de DFT-methode. Aangezien de fotonenergie van een laser van 1600 nm 0,78 eV is en de trillingsenergie van een stikstofmolecuul 0,2 eV is, kan een laser van 1600 nm resonantie veroorzaken wanneer de elektronenergiekloof ongeveer 0,78 ± 0,2 eV is. Wanneer stikstofgas gelijktijdig wordt geëxciteerd door een 1600 nm en een 800 nm tweekleurenveld, wordt het elektron naar het LUMO+7-energieniveau gepompt.

Bovendien komt het energieverschil tussen LUMO+6 en LUMO+7 overeen met de energie van 1600 nm foton. Daarom kan een laser van 1600 nm resonantie induceren tussen deze twee energieniveaus om elektronen op te vangen, wat leidt tot een afname van de plasmadichtheid zonder vertraging. Er wordt ook opgemerkt dat, hoewel de vrije elektronendichtheid in het plasma een minimumwaarde heeft wanneer Δt1 klein is, het nog steeds mogelijk is voor J_net om de piek te bereiken, waardoor de hoogste THz-pulsenergie wordt uitgestraald. Het is bevestigd dat de driftsnelheid die wordt versneld door het tweekleurenlaserveld een dominante rol speelt tijdens het genereren van THz-pulsen.

De onderzoeksresultaten verduidelijken niet alleen het relatieve belang van de snelheid van elektronendrijven en plasmadichtheid in THz-straling van filamenten, maar wijzen ook op de beperkingen van het traditionele fotostroommodel. De resultaten zijn van groot belang voor het optimaliseren van de tweekleurenlaserfilamentatie om sterke THz-golven te genereren. Daarnaast worden nieuwe vragen gesteld over het optische ionisatiemechanisme in filamenten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Ultrafast Science . + Verder verkennen

Saffier femtoseconde laserfilamentatie in argon met een herhalingssnelheid van 1 kHz