太赫兹（THz）科学与技术的发展依赖于太赫兹波辐射源的强度。强场宽带太赫兹波可以进一步扩展太赫兹技术在科学研究中的应用。由于固体太赫兹源受限于光学损伤阈值，而气体太赫兹源在单位体积内难以提供足够多的分子数量，因此，以液体为材料产生太赫兹源的研究应运而生。液体的流动性可以使其应用在高重频强激光器上。
引用格式：Yiwen E, Liangliang Zhang, Anton Tcypkin, Sergey Kozlov, Cunlin Zhang, X.-C. Zhang, "Broadband THz Sources from Gases to Liquids", Ultrafast Science, vol. 2021, Article ID 9892763, 17 pages, 2021.
DOI：https://doi.org/10.34133/2021/9892763
目前，可以使用高重频（≥ 1kHz）激光激发、产生强场THz波的常见辐射源有：基于光整流效应的非线性晶体以及基于电离的气体等离子体。随着激光脉冲能量（平均功率）的不断提高，对于非线性晶体源，场强的进一步提高开始受限于晶体的光学损伤阈值。而气体等离子体也显示出了功率饱和的效应。随着相对论激光与固体靶相互作用产生强THz波的不断发展，可以使用高重频激光激发的液体靶引起了科研人员的关注。美国罗切斯特大学张希成教授课题组将亚飞秒激光脉冲聚焦到流动的液体靶上，利用电光采样的方式测量了由液体产生的宽带太赫兹波。左图为流动的水线照片，右图为水线产生的典型的太赫兹波形及其频谱大多数液体是由极性分子组成的，例如最常见的液体水。极性液体在太赫兹波段有较强的吸收。为了减少吸收，液体靶的厚度应尽量薄。另一方面，液体靶需要一定的流速来确保每一个激光脉冲激发时都是焕然一新的液面。上图中左图为流动的水线的照片。利用传统的太赫兹产生时域光谱系统便可测量太赫兹信号。可以先用空气等离子体优化系统，再将液体靶放置在激光焦点处。为了避免在实验过程中检测到空气等离子体所产生的信号，在实验中应尽量使用焦距较短的透镜进行聚焦从而减小等离子体的横向和纵向的长度。上图中显示了水线产生的典型的太赫兹波及其频谱。相比气体等离子体，液体电离产生宽带太赫兹波显示了其特殊性。通常情况下，电离产生的电子密度会随着激光脉宽的增加而渐小。对于空气等离子体来说，往往脉宽越短的脉冲会产生越强的太赫兹波。而实验中发现，液体产生的太赫兹电场强度会随着脉冲宽度的增加而增强。对于200 微米水线来说，其优化的脉宽约为0.35皮秒。这个观察反应了气体和液体材料中不同的电离过程。由于气体的密度相对较小，碰撞电离的影响微乎其微。而对于密度较大的液体来说，由多光子电离或者遂穿电离产生的电子会在光场中被加速，通过碰撞产生级联响应从而进一步产生电离。该过程也被双脉冲电离的实验所验证。图a显示了利用液态金属镓产生太赫兹波的实验装置图；图b为相同情况下空气，水，以及镓所产生太赫兹波形的对比；图c显示了太赫兹电场峰值随液体在x方向移动时的变化。为了进一步探索液体作为太赫兹源的可能性，实验中还利用液氮，液态金属等不同的液体作为太赫兹辐射源并进行对比。上图a显示了以液态金属镓为太赫兹源的实验示意图。上图b对比了三种信号，分别产生自空气，水及液态金属镓。图c显示了峰值随x位移的关系，说明了液态金属镓产生过程更靠近液体表面。通过实验还发现，在液体线侧向也可以探测到较强的太赫兹波。于此同时，利用太赫兹克尔效应对液体的超快动力学过程进行了研究。
液体太赫兹源为探索新型宽带强太赫兹源提供了新思路,也为研究强激光与液体相互作用提供了新平台。为进一步发展太赫兹科学与技术及其在交叉学科研究领域中的应用提供了新的可能性。
作者简介
张希成，美国罗彻斯特大学光学研究所教授（M. Parker Givens Professor of Optics, Professor of physics, The Institute of Optics, University of Rochester, USA）。AAAS、APS、IEEE、OSA和SPIE Fellow。累计在国内外期刊上发表了论文300余篇、参与了20多本书及相关章节的编写工作、拥有29项美国专利。张希成教授从1988开始在THz成像和生物-医学应用，超快光子学、光电子学领域的研究。H-Index为90，总文章引用次数大于36000 (Google Scholar)。
鄂轶文，美国罗切斯特大学，博士后，于2017年在中国科学院物理研究所获得博士学位，现在主要研究太赫兹科学与技术，超快光学，以及光与物质相互作用。
Ultrafast Science，a science partner journal , 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。办刊宗旨为：刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。
期刊报道范围为阿秒光源、阿秒物理、超快激光和应用、超快成像、超快光谱、超快诊断、超快材料和探测器、超快太赫兹光子、超快电子、超快化学物理等。