Intense broadband THz fields from laser-plasma interactions

Κατά την τελευταία δεκαετία, χάρη στην τεράστια τεχνολογική ανάπτυξη στην φωτονική επιστήμη και την επιστήμη υλικών, η περιοχή συχνοτήτων τέραχερτζ (THz) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος γίνεται πλέον προσβάσιμη, ανοίγοντας νέους ορίζοντες σε διάφορα ερευνητικά πεδία, συμπεριλαμβανομένης της χημείας, της βιολογίας, της ιατρικής και της επιστήμης των υλικών. Η ακτινοβολία THz βρίσκεται στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 έως 30 ΤΗz. Οι συχνότητες αυτές αντιστοιχούν σε μήκη κύματος από 3 mm έως 10 μm, σε ενέργειες φωτονίων από 0.4 meV έως 120 meV και σε αντίστοιχη ακτινοβολία μελανού σώματος έχουν θερμοκρασίες από 4 Κ έως 1200 Κ. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στην παραγωγή ισχυρών, ευρυζωνικών παλμών ΤΗz μέσω διχρωματικής νηματοποίησης στον αέρα. Η πηγή αυτή βασίζεται στη χρήση ενισχυμένων παλμών λέιζερ όπου η εκπομπή ακτινοβολίας THz προέρχεται από το εγκάρσιο ρεύμα πλάσματος το οποίο σχηματίζεται από ένα ασύμμετρο διχρωματικό νήμα. Προτείνουμε ένα ολοκληρωμένο φυσικό μοντέλο που εξηγεί τον κωνικό χαρακτήρα της δέσμης THz που παράγεται από μια τέτοιου είδους πηγή, ενώ παράλληλα ερευνούμε πειραματικά την εγκυρότητά του ρυθμίζοντας κατάλληλα και με προκαθορισμένο τρόπο τις ιδιότητες της πηγής. Για τον πλήρη χαρακτηρισμό της πηγής μας, παρουσιάζουμε μια μέθοδο για την ανασύσταση ενός ευρέος φάσματος παλμού ΤΗz ο οποίος έχει έντονα αλλοιωθεί κατά την διάδοση του σε μέσα με έντονη απορρόφηση και φασματική διασπορά. Η προσέγγισή μας περιλαμβάνει μια πειραματική διαδικασία μαζί με έναν αλγόριθμο που μας δίνει πρόσβαση στην αλλοιωμένη κατά την διάδοση του παλμού πληροφορία.Πέρα από τον χαρακτηρισμό της πηγής, προτείνουμε καινοτόμους τρόπους ενίσχυσης της παραγωγής ακτινοβολίας THz. Αυτοί περιλαμβάνουν αρχικά, την χρήση δεσμών λέιζερ με ικανότητα αυτοεστίασης για την παραγωγή ισχυρών παλμών THz σε προκαθορισμένες και απομακρυσμένες θέσεις, αφού πρώτα επαληθεύσαμε πειραματικά και θεωρητικά την απαραίτητη γένεση δεύτερης αρμονικής από τέτοιου είδους δέσμες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν πως μια τέτοια πηγή παράγει παλμούς THz 5.3 φορές πιο ισχυρούς σε σχέση με μια αντίστοιχη πηγή που χρησιμοποιεί Γκαουσιανή δέσμη λέιζερ. Στη συνέχεια, μελετήσαμε για πρώτη φορά την γένεση ακτινοβολίας THz μέσω διχρωματικής νηματοποίησης σε διαφανή στερεά. Τέλος, εξετάσαμε την επίπτωση που έχει ο ρυθμός επαναληψιμότητας του λέιζερ σε μια πηγή THz διχρωματικής νηματοποίησης στον αέρα και παρουσιάζουμε ενίσχυση της παραγόμενης ακτινοβολίας κατά 70% σε υψηλότερους ρυθμούς επαναληψιμότητας.