激光技巧产生高能太赫兹脉冲

来自DESY和汉堡大学的科学家团队在寻求新型紧凑型粒子加速器方面取得了重要的里程碑。使用超强大的激光脉冲，它们能够产生特别高能量的太赫兹激光辐射，具有明确定义的波长(颜色)。太赫兹辐射将为新一代紧凑型粒子加速器开辟道路，这种加速器将在实验台上找到空间。由汉堡自由电子激光科学中心(CFEL)的Andreas Maier和FranzKärtner领导的团队将在Nature Communications杂志上发表研究成果。CFEL由DESY，汉堡大学和马克斯普朗克协会联合运营。

在太赫电磁的范围辐射位于红外和微波频率之间。航空旅行者可能熟悉机场安检所使用的全身扫描仪的太赫兹辐射，以搜索隐藏在人的衣服下面的物体。然而，该频率范围内的辐射也可用于构建紧凑的粒子加速器。“太赫兹辐射的波长比目前用于加速粒子的无线电波短一千倍，”DESY的首席科学家凯特纳说。“这意味着加速器的组件也可以构建为小一千倍。” 产生高能太赫兹脉冲因此，由欧洲研究理事会(ERC)资助的CFEL的AXSIS(阿秒X射线科学：成像与光谱学前沿)项目也是重要的一步，旨在利用紧凑型太赫兹粒子加速器开辟全新的应用。

然而，沿着可观数量的粒子进行微调需要强大的太赫兹辐射脉冲，其具有明确限定的波长。这正是团队现在设法创造的。“为了产生太赫兹脉冲，我们将两个强大的激光脉冲发射到所谓的非线性晶体中，两者之间的时间延迟最小，”汉堡大学的Maier解释道。两个激光脉冲具有一种颜色梯度，这意味着脉冲前面的颜色与后面的颜色不同。因此，两个脉冲之间的微小时间偏移导致颜色的轻微差异。“这种差异正好在太赫兹范围内，”迈尔说。“晶体将颜色差异转换为太赫兹脉冲。”

该方法需要两个激光脉冲精确同步。科学家通过将单个脉冲分成两部分并在短路程中发送其中一个脉冲来实现这一点，以便在两个脉冲最终再次叠加之前稍微延迟。然而，沿脉冲的颜色梯度不是恒定的，换句话说，颜色沿着脉冲的长度不均匀地改变。相反，颜色首先变慢，然后越来越快，产生弯曲的轮廓。结果，两个交错脉冲之间的色差不是恒定的。该差异仅适用于在窄脉冲范围内产生太赫兹辐射。

“这对于制造高能太赫兹脉冲来说是一个很大的障碍，”Maier报道。“因为拉直脉冲的颜色梯度，这本来是一个明显的解决方案，在实践中并不容易。” 共同作者尼古拉斯·马特利斯提出了一个关键的想法：他建议两个部分脉冲中只有一个的颜色轮廓应沿时间轴略微拉伸。虽然这仍然没有改变颜色沿脉冲变化的程度，但是相对于另一部分脉冲的色差现在始终保持恒定。“需要对其中一个脉冲进行的改变很小，并且很容易实现：所有必要的是在梁中插入一小段特殊玻璃，”Maier说。“突然间，太赫兹辐射，由冈崎日本分子科学研究所专门为他们制造。

“通过结合这两项措施，我们能够产生能量为0.6毫焦耳的太赫兹脉冲，这是该技术的记录，比之前由光学装置产生的任何明确波长的太赫兹脉冲高出十倍以上。 ，“凯特纳说。“我们的工作表明，有可能产生具有明确波长的足够强大的太赫兹脉冲，以便操作紧凑的粒子加速器。”