[論文レビュー] Scaling mechanism for efficient wavelength conversion in laser plasmas

Matteo Clerici, Marco Peccianti+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Laser-induced spectroscopy and plasma被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、長波長レーザー場とイオン化によって生成された自由キャリアとの相互作用を強化することで、レーザープラズマにおけるテラヘルツ発生効率がレーザー波長の増加によって向上することを示している。近赤外レーザーに代えて中赤外レーザーを用いることで、4 MV/cmを超える超高強度テラヘルツ場のテーブトップ発生が可能となり、量子状態制御やアトセカンド科学における高度な応用が実現される。

ABSTRACT

Laser-induced ionization is a fundamental tool for the frequency conversion of lasers into spectral regions so far inaccessible, including both extreme ultraviolet and terahertz. The low-frequency currents induced by laser-driven ionization generate extremely broadband, single-cycle terahertz pulses, with applications ranging from remote sensing to optical pulse diagnostic, yet strong limitations arise from the low conversion efficiencies of this mechanism. We show a remarkable increase of the radiated terahertz energy with the laser wavelength and we relate this observation to the stronger action of long-wavelength fields on ionization-induced free-carriers. Ultimately, the use of mid-infrared pulses instead of the near-infrared ones employed so far enables the unprecedented table-top generation of the extremely high terahertz fields (>4 MV/cm) required for, e.g. the optical manipulation of quantum states, attosecond pulse synthesis and time-resolved studies of ultrafast electron dynamics. Furthermore, such high fields allowed us to perform space-time resolved terahertz diagnostics exploiting standard optical components.

研究の動機と目的

• レーザー誘発イオン化によるテラヘルツ発生における低変換効率という問題に取り組む。
• レーザー波長がプラズマを用いた周波数変換におけるテラヘルツ放射効率に与える影響を調査する。
• 4 MV/cmを超える高強度テラヘルツパルスのテーブトップ発生を可能にする。
• 標準的な光学部品を用いて空間・時間分解能を有するテラヘルツ診断技術を開発する。
• レーザー波長と増強されたテラヘルツエネルギー出力の間のスケーリング則を確立する。

提案手法

• ガス中のレーザー誘発イオン化を用いて、広帯域かつシングルサイクルのテラヘルツパルスを生成した。
• 近赤外から中赤外までの波長範囲でレーザー波長を変化させ、テラヘルツ出力に与える影響を調査した。
• 長波長（中赤外）レーザーパルスを用いて、イオン化によって生成された自由キャリアに作用する力を強化した。
• 標準的な光学部品を用いた電気光学的サンプリングにより、テラヘルツ場の振幅を測定した。
• レーザー波長に応じたテラヘルツエネルギーのスケーリングを分析し、背後にある物理的メカニズムを同定した。
• 長波長での強い場イオン化結合と、テラヘルツエネルギー出力の増加を相関づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー波長は、レーザープラズマにおけるテラヘルツ発生効率にどのように影響するか？
• RQ2 長波長でのテラヘルツエネルギー増加を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 中赤外レーザーを用いることで、4 MV/cmを超えるテーブトップテラヘルツ場の発生が可能になるか？
• RQ4 高強度パルスを用いて、標準的な光学部品で空間・時間分解能を有するテラヘルツ診断が可能になるか？
• RQ5 テラヘルツ出力のレーザー波長依存性は、自由キャリアのダイナミクスによってどの程度説明可能か？

主な発見

• テラヘルツエネルギー出力は、レーザー波長の増加に伴い顕著に増加し、明確なスケーリング傾向が確認された。
• 中赤外レーザー（例：~3.5 μm）は、4 MV/cmを超えるテラヘルツ場を生成し、量子制御における新規応用を可能にした。
• 増強された効率は、長波長でのイオン化によって生成された自由キャリアに対する場の作用が強くなることに起因する。
• 高強度テラヘルツパルスを用いることで、標準的な光学部品を用いた空間・時間分解能を有する診断が可能となった。
• このメカニズムにより、広帯域かつシングルサイクルのテラヘルツパルスを効率的にテーブトップで生成できる。
• 観測されたスケーリング行動は、高強度応用を想定したレーザープラズマにおける波長変換最適化への道筋を示している。