一種產生超強太赫茲輻射源的新方法問世

據麥姆斯諮詢報道，英國斯特拉斯克萊德大學（University of Strathclyde）和北京首都師範大學的科學家們正在開發一種新的超強太赫茲（terahertz，THz）輻射源，可以提供更安全的X射線替代品，有很多潛在的工業應用。

與可見光不同的是，太赫茲輻射可以穿透塑料、紙板、木材和複合材料等，使其成為用於成像和安保的有害X射線的極佳替代品。

儘管眾所周知太赫茲電磁波可以承載遠超Wi-Fi的超高帶寬通信，但它探測分子和分析半導體的探針的用處還不被人們所熟知。

斯特拉斯克萊德大學物理系的Dino Jaroszynski教授領導的研究小組通過實驗證明，通過激光尾波場加速器（LWFA）除了能發射出高能量、低電荷的光束外，還可以產生超高電荷的相對論電子束。

研究小組表明，當超強超短激光脈衝集中到氦氣中時，形成幾乎以光速移動的等離子體氣泡。這些高電荷的電子束不同於通常的低電荷（微微庫侖）、高能量（百兆電子伏特至千兆電子伏）、從激光尾波場加速器中觀察到的持續時間為飛秒級的電子束。

這項研究發表在《新物理學雜誌》（New Journal of Physics）上。

蘇格蘭應用等離子體加速器中心（SCAPA）主任Jaroszynski教授啟動了該項目，他表示：「對太赫茲能源來說，已達到了前所未有的效率，超強太赫茲輻射源變得越來越容易得到，將會給科學和技術領域開創全新的道路。」

「新工具為科學家帶來了新的進展，超強的太赫茲輻射與物質的相互作用允許進入非線性過程，從而能夠識別通常隱藏的現象，以及對物質的獨特控制，例如使用高太赫茲場或半導體的能帶扭曲結構來排列分子。

「SCAPA為研究這些現象提供了一個理想的環境，這將促進科學取得新的進展，我們的理論研究是朝著這個激動人心的新方向上邁出的第一步。」

斯特拉斯克萊德大學物理系的Enrico Brunetti博士對研究進行了大量的模擬。他說：「由於寬角光束的電荷隨著激光強度和等離子體密度呈線性增加，因此太赫茲輻射的能量將按比例變為毫焦級，這將成為峰值功率超過千兆瓦的超強太赫茲輻射源，可以與遠紅外線自由電子激光器相媲美，達到1%的光-太赫茲轉換效率。」

首都師範大學的研究員薛楊博士表示：「當電子穿過介電常數不同的介質交界面時，發射的躍遷輻射會覆蓋較廣的頻率範圍。」

「模擬顯示，激光尾波場加速器發射的寬角電子束在穿過薄金屬箔或加速器的等離子體-真空邊界時產生能量為10微焦耳至100微焦耳的相干太赫茲輻射。」

太赫茲輻射是遠紅外電磁輻射，頻率在0.1THz至10THz（1THz = 10^12Hz）之間，位於中紅外和微波光譜之間。大分子的振動和旋轉光譜指紋區與太赫茲波段一致，這使得太赫茲光譜成為識別有害物質（如藥物和爆炸物）的強大工具。此外，太赫茲輻射對於生物學和醫學非常重要，因為許多生物大分子如DNA和蛋白質在太赫茲頻率會發生集體運動。

太赫茲輻射也可用於探索半導體和納米結構的複雜性，因此是開發機電器件和太陽能電池的重要工具。有許多不同的產生太赫茲輻射的方法存在，包括驅動半導體天線中的光電流，激發量子阱和電光晶體中的光學整流。但是，由於高功率光學材料受到破壞，其最大功率受到限制。相比之下，等離子體因為本身已經被破壞而沒有這樣的限制。

新的研究表明，這些高電荷、納庫精度（nanocoloumb）和相對低能量（兆電子伏，MeV）亞皮秒持續時間的電子束以空心圓錐的形態發射，其開口角度與激光束軸線呈45度左右。研究人員發現，激光能量可以有效地轉化為超強太赫茲輻射脈衝。

這項研究由工程和物理科學研究委員會資助。

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麥姆斯諮詢

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