Plasma anticorrelacionado e geração de pulso THz durante filamentos a laser de duas cores no ar

Esquema da configuração experimental. Crédito:Ciência Ultrarrápida

As fortes ondas de terahertz (THz) geradas pelo plasma de gás induzido por pulso de laser de femtosegundo chamaram muita atenção devido à largura de banda espectral ultra-ampla, à alta intensidade do campo elétrico e ao limite de nenhum dano material. No entanto, as interações luz-matéria de escala cruzada abundantes e multidimensionais durante a filamentosação se entrelaçam, interagem e se restringem mutuamente, o que não apenas coloca o mecanismo físico da radiação THz em debate, mas também limita as técnicas de otimização da geração de ondas THz.
Embora a onda THz gerada a partir do filamento do campo de laser de duas cores tenha sido mais citada por estar positivamente correlacionada com a densidade do plasma do ar, a pesquisa conduzida pelo grupo do Prof. Weiwei Liu da Universidade de Nankai e o grupo do Prof. uma correlação negativa entre a intensidade de THz irradiada e a densidade do plasma durante a filamentação do laser de duas cores de 1600 nm + 800 nm. Acredita-se que a captura de elétrons da molécula de gás nitrogênio excitada em seus estados excitados seja a causa da densidade de plasma deprimida, enquanto a radiação THz aumentada é atribuída à maior velocidade de deriva de elétrons.

Ao ajustar o atraso de tempo entre os lasers de 1600 nm e 800 nm, a densidade do plasma é medida e encontrado um valor mínimo próximo ao atraso de zero. A correlação negativa entre a densidade do plasma e a intensidade da radiação da onda THz revela ainda que a intensidade da radiação THz apresenta o máximo na densidade mínima do plasma.

O nível de energia eletrônica da molécula de nitrogênio é modelado com o método DFT. Como a energia do fóton de um laser de 1600 nm é de 0,78 eV e a energia vibracional da molécula de nitrogênio é de 0,2 eV, um laser de 1600 nm pode causar ressonância quando o intervalo de energia do elétron é de cerca de 0,78±0,2 eV. Quando o gás nitrogênio é excitado por um campo de duas cores de 1600 nm e 800 nm simultaneamente, o elétron será bombeado para o nível de energia LUMO+7.

(a) A relação entre a densidade de plasma do filamento e o atraso de tempo do campo de duas cores (Δt1); (b) A eficiência de THz gerada em função de Δt1 no experimento é mostrada como a linha sólida preta enquanto as intensidades relativas de THz simuladas do modelo empírico são representadas como uma linha tracejada azul. A densidade eletrônica livre com diferentes retardos foi medida no eixo do filamento em z=2,7 mm e mostrada como linha tracejada vermelha. Crédito:Ciência Ultrarrápida
(a) Nível de energia eletrônica calculado da molécula de nitrogênio; (b) Variação da corrente líquida Jnet em função de Δt1. Crédito:Ciência Ultrarrápida

Além disso, a diferença de energia entre LUMO+6 e LUMO+7 corresponde à energia do fóton de 1600 nm. Portanto, um laser de 1600 nm pode induzir ressonância entre esses dois níveis de energia para capturar elétrons, o que leva à diminuição da densidade do plasma com atraso zero. Note-se também que, embora a densidade de elétrons livres no plasma tenha um valor mínimo quando Δt1 é pequeno, ainda é possível para J_net atingir o pico, irradiando assim a maior energia de pulso THz. A velocidade de deriva acelerada pelo campo de laser de duas cores foi confirmada para desempenhar um papel dominante durante a geração do pulso THz.

Os resultados da pesquisa não apenas esclarecem a importância relativa da velocidade de deriva de elétrons e densidade do plasma na radiação THz de filamentos, mas também apontam as limitações do modelo tradicional de fotocorrente. Os resultados são de grande importância para otimizar a filamentos do laser de duas cores para gerar fortes ondas THz. Além disso, novas questões sobre o mecanismo de ionização óptica em filamentos são apresentadas.

A pesquisa foi publicada na Ultrafast Science . + Explorar mais