Dải tần terahertz (THz) nằm giữa vùng vi sóng và vùng hồng ngoại của phổ điện từ. Đây là dảy tần mà các công nghệ thông thường không hiệu quả trong việc tạo và phát hiện bức xạ. Tuy nhiên, dải tần này đang nhanh chóng bị thu hẹp nhờ sự phát triển của các nguồn và loại máy THz mới. Các nguồn THz dựa trên laser hiện rất được quan tâm do khả năng tạo ra bức xạ kết hợp, từ một chu kỳ đến đa chu kỳ, băng thông rộng hoặc băng thông hẹp.
Các nguồn THz hiện nay có thể tạo ra khả năng đồng bộ tự nhiên với tia laser, cho phép chụp ảnh bức xạ điện từ và phân giải quang phổ theo thời gian cực nhanh. Gần đây, các dạng tia laser cỡ femto giây công suất cao đã được sử dụng để tạo ra bức xạ THz mạnh, cũng như để khám phá các hiện tượng mới như liên kết phân tử, tạo sóng hài và gia tốc electron. Trong một bài báo mới đăng trên Tạp chí Light: Science & Applications, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Ki-Yong Kim từ Đại học Maryland, College Park, liên kết với Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju và Viện Khoa học Cơ bản, Hàn Quốc, đã phát triển một mô hình mới phát xạ terahertz năng lượng cao từ các xung laser. Trong số nhiều nguồn laser, những nguồn dựa trên laser-plasma rất phù hợp để tạo THz công suất cao. Các plasma bị ion hóa có thể duy trì các trường điện từ cao mà ít hoặc không có lo ngại về thiệt hại vật chất khi các xung laser công suất cao được tập trung vào một vùng thể tích nhỏ để tạo ra phát xạ THz có thể mở rộng năng lượng. Kể từ công trình tiên phong của Hamster, việc tạo ra THz kết hợp từ các plasma mật độ rắn và khí bằng laser đã được nghiên cứu rộng rãi.
Bức xạ THz trong chụp ảnh bức xạ
Trong các chất khí, các plasma từ laser đơn sắc hoặc đa sắc có thể tạo ra bức xạ THz băng thông rộng kết hợp các dòng điều khiển bằng laser cực nhanh. Khi trộn laser đa sắc, hiệu suất chuyển đổi từ laser sang THz tăng lên đến mức phần trăm thông qua trình điều khiển laser hồng ngoại trung bình. Bức xạ THz năng lượng cao cũng được quan sát thấy từ các mục tiêu plasma mật độ cao, được chiếu xạ bằng laser dựa trên chất lỏng và chất rắn. Gần đây, hàng chục THz năng lượng mJ được quan sát thấy từ một lá kim loại được chiếu xạ bởi các xung laser pico giây năng lượng cao (~60 J). Tuy nhiên, không giống như các mục tiêu khí, các mục tiêu có mật độ cao thường tạo các mảnh vỡ và các vấn đề về khả năng nạp lại mục tiêu, điều này khiến chúng không thuận lợi khi sử dụng trong các hoạt động đòi hỏi tần suất liên tục hoặc tốc độ lặp lại cao (> kHz).
Các electron được gia tốc từ các phát xạ THz kết hợp liên tục dọc theo hướng truyền của laser. (Nguồn: Taegyu Pak)
Gia tốc trường bằng laser (LWFA), máy gia tốc electron nhỏ gọn dựa trên plasma ở thể khí, là một nguồn bức xạ điện từ băng thông rộng khác. Chùm electron tương đối tính được tạo ra trong LWFA có thể phát ra bức xạ THz khi thoát ra khỏi ranh giới plasma-chân không bằng bức xạ chuyển tiếp kết hợp (CTR). Điều này xảy ra khi kích thước chiều dài chùm trở nên bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng của bức xạ THz phát ra và các trường THz do các electron riêng lẻ tạo ra kết hợp chặt chẽ với nhau theo hướng bức xạ. Nhóm nghiên cứu đã quan sát phát xạ THz đa mJ từ LWFA điều khiển bằng laser 100TW với hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 0,15%. Bức xạ THz phát ra được phân cực triệt để và băng thông rộng, có thể mở rộng ra ngoài 10 THz. Mối tương quan giữa các đặc tính của chùm electron (năng lượng và điện tích) và năng lượng đầu ra THz cho thấy rằng các electron năng lượng cao (>150 MeV) không nhất thiết tạo ra bức xạ terahertz năng lượng cao. Thay vào đó, các electron năng lượng thấp nhưng điện tích cao có thể tạo ra bức xạ terahertz mạnh hơn nhiều. Để giải thích kết quả này cùng với việc tạo ra nhiều mJ THz, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một mô hình bức xạ kết hợp, trong đó các electron được gia tốc bởi lực phản xạ laser và các trường đánh thức plasma phát ra bức xạ băng rộng liên tục dọc theo hướng truyền của laser, cuối cùng dẫn đến kết quả là bức xạ THz hình nón khớp pha trong trường ra.
Từ khóa: Bức xạ terahertz; laser; electron;
– CMD&DND –
