Schema del setup sperimentale. Credito:Scienza Ultraveloce
Le forti onde terahertz (THz) generate dal plasma di gas indotto da impulsi laser a femtosecondi hanno attirato molta attenzione a causa della larghezza di banda spettrale ultra ampia, dell'elevata intensità del campo elettrico e dell'assenza di soglia di danno materiale. Tuttavia, le abbondanti e multidimensionali interazioni luce-materia su scala incrociata durante la filamentazione si intrecciano, interagiscono e si restringono reciprocamente, il che non solo mette in discussione il meccanismo fisico della radiazione THz, ma limita anche le tecniche di ottimizzazione della generazione di onde THz.
Sebbene l'onda THz generata dalla filamentazione del campo laser a due colori sia stata più citata per essere positivamente correlata alla densità del plasma dell'aria, la ricerca condotta dal gruppo del Prof. Weiwei Liu dell'Università di Nankai e del gruppo del Prof. Hiroaki Misawa dell'Università di Hokkaido ha dimostrato una correlazione negativa tra l'intensità THz irradiata e la densità del plasma durante la filamentazione laser a due colori a 1600 nm + 800 nm. Si ritiene che la cattura di elettroni della molecola di azoto gassoso eccitato nei suoi stati eccitati sia la causa della ridotta densità del plasma, mentre la radiazione THz aumentata è attribuita alla maggiore velocità di deriva degli elettroni.
Regolando il ritardo di tempo tra laser da 1600 nm e 800 nm, la densità del plasma viene misurata e trova un valore minimo vicino allo zero. La correlazione negativa tra la densità del plasma e l'intensità della radiazione dell'onda THz rivela inoltre che l'intensità della radiazione THz mostra il massimo alla densità del plasma minima.
Il livello di energia elettronica della molecola di azoto è modellato con il metodo DFT. Poiché l'energia del fotone di un laser a 1600 nm è 0,78 eV e l'energia vibrazionale della molecola di azoto è 0,2 eV, un laser a 1600 nm può causare risonanza quando il gap di energia dell'elettrone è di circa 0,78 ± 0,2 eV. Quando l'azoto gassoso viene eccitato contemporaneamente da un campo bicolore di 1600 nm e 800 nm, l'elettrone verrà pompato al livello di energia LUMO+7.
(a) La relazione tra la densità plasmatica del filamento e il ritardo del campo bicolore (Δt1); (b) L'efficienza THz generata in funzione di Δt1 nell'esperimento è mostrata come linea continua nera mentre le intensità relative THz simulate del modello empirico sono rappresentate come linea tratteggiata blu. La densità di elettroni liberi con diversi ritardi è stata misurata sull'asse del filamento a z =2,7 mm e mostrata come una linea tratteggiata rossa. Credito:Scienza Ultraveloce
(a) livello di energia elettronica calcolato della molecola di azoto; (b) Variazione della corrente netta Jnet in funzione di Δt1. Credito:Scienza Ultraveloce
Inoltre, la differenza di energia tra LUMO+6 e LUMO+7 corrisponde all'energia del fotone a 1600 nm. Pertanto, un laser a 1600 nm può indurre una risonanza tra questi due livelli di energia per intrappolare gli elettroni, il che porta alla diminuzione della densità del plasma con ritardo zero. Si noti inoltre che, sebbene la densità di elettroni liberi nel plasma abbia un valore minimo quando Δt1 è piccolo, è ancora possibile per Jnet per raggiungere il picco, irradiando così l'energia di impulso THz più alta. È stato confermato che la velocità di deriva accelerata dal campo laser a due colori gioca un ruolo dominante durante la generazione dell'impulso THz.
I risultati della ricerca non solo chiariscono l'importanza relativa della velocità di deriva degli elettroni e della densità del plasma nella radiazione THz dei filamenti, ma sottolineano anche i limiti del modello tradizionale della fotocorrente. I risultati sono di grande importanza per ottimizzare la filamentazione laser a due colori per generare forti onde THz. Inoltre, vengono avanzate nuove domande sul meccanismo di ionizzazione ottica nei filamenti.
La ricerca è stata pubblicata su Ultrafast Science . + Esplora ulteriormente
