Intense broadband THz fields from laser-plasma interactions

Abstract

The THz frequency range is one of the most interesting regions of the electromagnetic spectrum and lies between the far-infrared and the microwave region, in a frequency interval from 0.1 THz to 30 THz. Historically, this part of the spectrum was known as the "THz gap" due to the lack of coherent sources in this frequency range. Nevertheless, during the last two decades numerous works have been done on coherent sources, making it possible to access the THz frequency region of the electromagnetic spectrum and reveal its unique properties. This dissertation is focused on the generation of intense, broadband THz pulses through laser plasma interactions. The scheme used is 2-color filamentation in air, under which the fundamental and the second harmonic of an ultrashort pulsed laser are combined and focused into air forming a filament, which produces intense THz pulses in the far field. We propose a comprehensive physical model explaining the conical character of broadband terahertz generation from such sources while at the same time we experimentally investigate its validity by tuning in a controlled way the emission properties. To fully characterize our sources, we devise a method to reconstruct broadband THz wavepackets that are strongly distorted during propagation in dispersive and lossy media. Our approach implements an experimental procedure along with an algorithm that allows one to gain access to the lost information of the THz pulse.Beyond the characterization of the sources we propose novel approaches to enhance the THz emission. These include, firstly the use of abruptly autofocusing beams for generating strong THz beams at well-defined remote locations, having first verified the required harmonics generation from such beams. We show that such a beam can lead to efficient THz generation resulting in a 5.3-times enhanced THz wave pulse energy compared to normal Gaussian-beam-induced plasma under the same conditions. We believe this work will inspire a new direction for controlling THz radiation from laser-induced plasma and pave the way for THz remote spectroscopy. Secondly, THz emission through 2-color filamentation in transparent solids is for the first time studied. We present experimental results that verify the above statement. Finally, we examine how the repetition rate of the excitation laser source can affect the plasma and consequently the THz emission. We present an enhancement of 70% in the emitted THz amplitude for higher repetition rates.

Κατά την τελευταία δεκαετία, χάρη στην τεράστια τεχνολογική ανάπτυξη στην φωτονική επιστήμη και την επιστήμη υλικών, η περιοχή συχνοτήτων τέραχερτζ (THz) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος γίνεται πλέον προσβάσιμη, ανοίγοντας νέους ορίζοντες σε διάφορα ερευνητικά πεδία, συμπεριλαμβανομένης της χημείας, της βιολογίας, της ιατρικής και της επιστήμης των υλικών. Η ακτινοβολία THz βρίσκεται στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 έως 30 ΤΗz. Οι συχνότητες αυτές αντιστοιχούν σε μήκη κύματος από 3 mm έως 10 μm, σε ενέργειες φωτονίων από 0.4 meV έως 120 meV και σε αντίστοιχη ακτινοβολία μελανού σώματος έχουν θερμοκρασίες από 4 Κ έως 1200 Κ. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στην παραγωγή ισχυρών, ευρυζωνικών παλμών ΤΗz μέσω διχρωματικής νηματοποίησης στον αέρα. Η πηγή αυτή βασίζεται στη χρήση ενισχυμένων παλμών λέιζερ όπου η εκπομπή ακτινοβολίας THz προέρχεται από το εγκάρσιο ρεύμα πλάσματος το οποίο σχηματίζεται από ένα ασύμμετρο διχρωματικό νήμα. Προτείνουμε ένα ολοκληρωμένο φυσικό μοντέλο που εξηγεί τον κωνικό χαρακτήρα της δέσμης THz που παράγεται από μια τέτοιου είδους πηγή, ενώ παράλληλα ερευνούμε πειραματικά την εγκυρότητά του ρυθμίζοντας κατάλληλα και με προκαθορισμένο τρόπο τις ιδιότητες της πηγής. Για τον πλήρη χαρακτηρισμό της πηγής μας, παρουσιάζουμε μια μέθοδο για την ανασύσταση ενός ευρέος φάσματος παλμού ΤΗz ο οποίος έχει έντονα αλλοιωθεί κατά την διάδοση του σε μέσα με έντονη απορρόφηση και φασματική διασπορά. Η προσέγγισή μας περιλαμβάνει μια πειραματική διαδικασία μαζί με έναν αλγόριθμο που μας δίνει πρόσβαση στην αλλοιωμένη κατά την διάδοση του παλμού πληροφορία.Πέρα από τον χαρακτηρισμό της πηγής, προτείνουμε καινοτόμους τρόπους ενίσχυσης της παραγωγής ακτινοβολίας THz. Αυτοί περιλαμβάνουν αρχικά, την χρήση δεσμών λέιζερ με ικανότητα αυτοεστίασης για την παραγωγή ισχυρών παλμών THz σε προκαθορισμένες και απομακρυσμένες θέσεις, αφού πρώτα επαληθεύσαμε πειραματικά και θεωρητικά την απαραίτητη γένεση δεύτερης αρμονικής από τέτοιου είδους δέσμες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν πως μια τέτοια πηγή παράγει παλμούς THz 5.3 φορές πιο ισχυρούς σε σχέση με μια αντίστοιχη πηγή που χρησιμοποιεί Γκαουσιανή δέσμη λέιζερ. Στη συνέχεια, μελετήσαμε για πρώτη φορά την γένεση ακτινοβολίας THz μέσω διχρωματικής νηματοποίησης σε διαφανή στερεά. Τέλος, εξετάσαμε την επίπτωση που έχει ο ρυθμός επαναληψιμότητας του λέιζερ σε μια πηγή THz διχρωματικής νηματοποίησης στον αέρα και παρουσιάζουμε ενίσχυση της παραγόμενης ακτινοβολίας κατά 70% σε υψηλότερους ρυθμούς επαναληψιμότητας.