太赫兹辐射在电磁频谱中位于红外与微波之间，具有光子能量低、穿透性强等特性，且覆盖大量生物大分子和有机材料的转动、吸收等特征谱线，因而在材料、生物、国防安全等领域有着广泛的应用。当太赫兹辐射的场强达到1MV/cm，在与光学介质、凝聚态材料、超导材料等相互作用时，可以产生新奇非线性物理；它的强磁场分量可以操控电子自旋；强太赫兹辐射还有望用于建造小型化电子加速器。然而，高场强、可调谐的强太赫兹辐射产生仍然是制约太赫兹技术发展和应用的难题。在前期工作中，上海交通大学物理与天文学院激光等离子体实验室陈燕萍、盛政明负责的太赫兹研究团队利用kHz飞秒激光系统实现了对空气等离子体通道中太赫兹辐射偏振状态、角分布、载波包络相位、脉冲能量等的有效操控[Nat. Photonics 12, 554 (2018), Phys. Rev. Lett. 117, 243901 (2016)]。最近，该研究团队提出利用弱相对论超短脉冲激光与等离子体通道作用，通过激发等离子体尾场产生强太赫兹辐射的方案。按照他们的计算，该方案只需要利用数太瓦的激光系统，就有望获得场强高达亚GV/cm的可调谐强太赫兹辐射输出。

图一 控制激光入射到等离子体通道的入射条件可以实现太赫兹辐射模式的切换。

通过理论和数值模拟，他们发现当激光脉冲离轴、或者斜入射至一定密度分布的等离子体通道内时，激光质心会在传输过程中绕通道中心轴振荡，周期性地经历密度上升和密度下降的等离子体区域。当激光经历密度上升的等离子体区域出射时，通过线性模式转换机制可以实现等离子体尾波向太赫兹辐射的转换，输出线偏振的强太赫兹辐射；当激光通过密度下降的等离子体区域出射时，通过电磁波波导模式激发可以实现径向偏振的太赫兹辐射。因此，通过控制激光脉冲的入射条件，即可实现两种太赫兹辐射模式的有效切换。线偏振太赫兹辐射的强度、空间分布和频谱可以通过调整激光质心的离轴程度来有效调控。通过增大激光离轴量，可以获得场强高达亚GV/cm量级的线偏振太赫兹辐射，转换效率高达~10-3。他们正计划开展相关实验研究。该研究成果近日以“Tunable High-Field Terahertz Radiation from Plasma Channels”为题发表于Laser & Photonics Reviews上。

图二 (a)和(b)给出不同等离子体通道长度下产生不同太赫兹辐射模式和相应频谱。(c)在激光不同入射离轴量下，线偏振太赫兹辐射的频谱。(d)太赫兹辐射场强与通道长度的关系。

本论文的第一作者为物理与天文学院博士研究生王淋正，通讯作者为陈燕萍副教授和盛政明教授。此研究得到了国家自然科学基金（Nos. 12074250, 11991073, 12135009, and 11991074）、上海市科技委（Nos. 16DZ2260200 and 22JC1401900）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202200627