Schéma du montage expérimental. Crédit :Science ultra-rapide
Les fortes ondes térahertz (THz) générées par le plasma gazeux induit par des impulsions laser femtosecondes ont attiré une attention considérable en raison de la bande passante spectrale ultra-large, de l'intensité élevée du champ électrique et de l'absence de seuil de dommage matériel. Cependant, les interactions lumière-matière abondantes et multidimensionnelles au cours de la filamentation s'entrelacent, interagissent et se restreignent mutuellement, ce qui non seulement met en débat le mécanisme physique du rayonnement THz, mais limite également les techniques d'optimisation de la génération d'ondes THz.
Bien que l'onde THz générée par la filamentation du champ laser bicolore ait été la plus citée comme étant positivement corrélée à la densité du plasma d'air, les recherches menées par le groupe du professeur Weiwei Liu de l'université de Nankai et le groupe du professeur Hiroaki Misawa de l'université d'Hokkaido ont montré une corrélation négative entre l'intensité THz rayonnée et la densité du plasma pendant la filamentation laser bicolore 1600 nm + 800 nm. On pense que la capture d'électrons de la molécule d'azote gazeux excité dans ses états excités est la cause de la densité de plasma déprimée, tandis que le rayonnement THz augmenté est attribué à la vitesse de dérive des électrons plus élevée.
En réglant le délai entre les lasers 1600 nm et 800 nm, la densité du plasma est mesurée et trouve une valeur minimale proche du délai zéro. La corrélation négative entre la densité du plasma et l'intensité du rayonnement des ondes THz révèle en outre que l'intensité du rayonnement THz présente un maximum à la densité minimale du plasma.
Le niveau d'énergie électronique de la molécule d'azote est modélisé avec la méthode DFT. Étant donné que l'énergie photonique d'un laser de 1600 nm est de 0,78 eV et que l'énergie vibratoire de la molécule d'azote est de 0,2 eV, un laser de 1600 nm peut provoquer une résonance lorsque l'écart d'énergie électronique est d'environ 0,78 ± 0,2 eV. Lorsque l'azote gazeux est excité simultanément par un champ bicolore de 1600 nm et de 800 nm, l'électron sera pompé au niveau d'énergie LUMO + 7.
(a) La relation entre la densité de plasma du filament et le retard temporel du champ bicolore (Δt1); (b) L'efficacité THz générée en fonction de Δt1 dans l'expérience est représentée par la ligne continue noire tandis que les intensités relatives THz simulées du modèle empirique sont représentées par une ligne pointillée bleue. La densité d'électrons libres avec différents retards a été mesurée sur l'axe du filament à z =2,7 mm et représentée par une ligne pointillée rouge. Crédit :Science ultra-rapide
(a) Niveau d'énergie électronique calculé de la molécule d'azote ; (b) Variation du courant net Jnet en fonction de Δt1. Crédit :Science ultra-rapide
De plus, la différence d'énergie entre LUMO+6 et LUMO+7 correspond à l'énergie d'un photon à 1600 nm. Par conséquent, un laser à 1600 nm peut induire une résonance entre ces deux niveaux d'énergie pour piéger les électrons, ce qui conduit à la diminution de la densité du plasma à retard nul. On note également que, bien que la densité d'électrons libres dans le plasma ait une valeur minimale lorsque Δt1 est petit, il est toujours possible pour Jnet pour atteindre le pic, rayonnant ainsi l'énergie d'impulsion THz la plus élevée. Il a été confirmé que la vitesse de dérive accélérée par le champ laser bicolore joue un rôle dominant lors de la génération d'impulsions THz.
Les résultats de la recherche clarifient non seulement l'importance relative de la vitesse de dérive des électrons et de la densité du plasma dans le rayonnement THz des filaments, mais soulignent également les limites du modèle photocourant traditionnel. Les résultats sont d'une grande importance pour optimiser la filamentation laser bicolore afin de générer de fortes ondes THz. De plus, de nouvelles questions sur le mécanisme d'ionisation optique dans les filaments sont posées.
La recherche a été publiée dans Ultrafast Science . Filamentation laser femtoseconde saphir dans l'argon à fréquence de répétition de 1 kHz
