Las fuertes ondas de terahercios (THz) generadas por el plasma de gas inducido por pulsos láser de femtosegundos han llamado mucho la atención debido al ancho de banda espectral ultra amplio, la alta intensidad del campo eléctrico y la falta de umbral de daño material. Sin embargo, las abundantes y multidimensionales interacciones luz-materia a escala cruzada durante la filamentación se entrelazan, interactúan y se restringen mutuamente, lo que no solo pone en debate el mecanismo físico de la radiación THz, sino que también limita las técnicas de optimización de la generación de ondas THz.

Aunque la onda de THz generada a partir de la filamentación del campo láser de dos colores ha sido la más citada como una correlación positiva con la densidad del plasma de aire, la investigación realizada por el grupo del Prof. Weiwei Liu de la Universidad de Nankai y el grupo del Prof. Hiroaki Misawa de la Universidad de Hokkaido ha demostrado una correlación negativa entre la intensidad de THz radiada y la densidad del plasma durante la filamentación láser de dos colores de 1600 nm + 800 nm. Se cree que la captura de electrones de la molécula de gas nitrógeno excitado en sus estados excitados es la causa de la disminución de la densidad del plasma, mientras que la radiación de THz aumentada se atribuye a la mayor velocidad de deriva de electrones.

Al ajustar el retardo de tiempo entre los láseres de 1600 nm y 800 nm, se mide la densidad del plasma y se encuentra un valor mínimo de retardo cercano a cero. La correlación negativa entre la densidad del plasma y la intensidad de la radiación de la onda THz revela además que la intensidad de la radiación THz exhibe un máximo en la densidad mínima del plasma.

El nivel de energía electrónica de la molécula de nitrógeno se modela con el método DFT. Dado que la energía del fotón de un láser de 1600 nm es de 0,78 eV y la energía vibratoria de la molécula de nitrógeno es de 0,2 eV, un láser de 1600 nm puede causar resonancia cuando la brecha de energía de los electrones es de aproximadamente 0,78±0,2 eV. Cuando el gas nitrógeno es excitado por un campo de dos colores de 1600 nm y 800 nm simultáneamente, el electrón será bombeado al nivel de energía LUMO+7.

Además, la diferencia de energía entre LUMO+6 y LUMO+7 corresponde a la energía del fotón de 1600 nm. Por lo tanto, un láser de 1600 nm puede inducir resonancia entre estos dos niveles de energía para atrapar electrones, lo que conduce a la disminución de la densidad del plasma con un retraso cero. También se observa que, aunque la densidad de electrones libres en el plasma tiene un valor mínimo cuando Δt1 es pequeño, todavía es posible que J_net para alcanzar el pico, radiando así la energía de pulso de THz más alta. Se ha confirmado que la velocidad de deriva acelerada por el campo láser de dos colores juega un papel dominante durante la generación de pulsos de THz.

Los resultados de la investigación no solo aclaran la importancia relativa de la velocidad de deriva de los electrones y la densidad del plasma en la radiación THz de los filamentos, sino que también señalan las limitaciones del modelo de fotocorriente tradicional. Los resultados son de gran importancia para optimizar la filamentación láser de dos colores para generar fuertes ondas de THz. Además, se plantean nuevas preguntas sobre el mecanismo de ionización óptica en filamentos.

La investigación fue publicada en Ultrafast Science . + Explora más

Filamentación láser de femtosegundo de zafiro en argón a una tasa de repetición de 1 kHz