近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院胡廣月團(tuán)隊在高功率太赫茲表面波研究方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊利用飛秒激光聚焦作用金屬絲波導(dǎo)，通過電子發(fā)射過程產(chǎn)生10兆瓦功率的太赫茲表面波，激發(fā)效率達(dá)到2.4%的目前報道的最高水平，研究成果以“Efficiently Laser Driven Terahertz Surface Plasmon Polaritons on Long Metal Wire”為題，7月24日在線發(fā)表于物理學(xué)知名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review X》。

太赫茲輻射在材料科學(xué)、生物傳感和下一代通訊等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但高功率太赫茲輻射傳統(tǒng)主要依靠加速器或相對論激光等大科學(xué)裝置產(chǎn)生，這限制了應(yīng)用的便捷性。同時，高功率太赫茲輻射的高效激發(fā)和導(dǎo)引傳輸仍面臨很大挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊實驗演示了一種新的方法，利用緊湊的亞相對論飛秒激光聚焦于約1米長的金屬絲太赫茲波導(dǎo)上，產(chǎn)生了峰值功率達(dá)到10兆瓦的單周期太赫茲表面波。與業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)為的觀點不同，實驗發(fā)現(xiàn)這種太赫茲輻射是由激光驅(qū)動的電子發(fā)射時的相干渡越輻射引起的，貢獻(xiàn)最大的不是速度最快的相對論電子，而是較慢的亞相對論電子。這些亞相對論電子在將激光能量轉(zhuǎn)化為太赫茲輻射方面更有效。通過這種方法，實現(xiàn)了高達(dá)2.4%的能量轉(zhuǎn)換效率，這是激光驅(qū)動太赫茲源目前報道的最高效率。

這種方法使用普及度較高的激光技術(shù)，無需依賴大型科學(xué)設(shè)施，為高功率太赫茲輻射源的實際應(yīng)用提供了一種可行的解決方案。這種緊湊型技術(shù)可用于醫(yī)學(xué)診斷中的內(nèi)窺鏡太赫茲成像、基于波導(dǎo)的粒子加速器、非線性太赫茲光譜學(xué)以及集成太赫茲技術(shù)等。

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飛秒激光輻照金屬絲波導(dǎo)，通過電子發(fā)射過程激發(fā)太赫茲表面波

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)邵爍婷和王向兵博士研究生為論文的共同第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡廣月副教授、上海交通大學(xué)陳民教授、中國工程物理研究院谷渝秋和丁永坤研究員為通訊作者。深圳技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)為該論文的合作單位。該工作得到了中國科學(xué)院非共識和顛覆性項目、國家自然科學(xué)基金以及統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)專項資金資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/mkyj-77k8