太赫兹波是频率介于微波与红外之间的电磁辐射，大量有机大分子的振动和转动能级都落在这一范围，这预示着太赫兹辐射在生物医疗、材料科学等领域具有广泛的应用前景，被认为是“改变未来世界的十大技术之一”。产生频谱、偏振、功率等参数可调的太赫兹辐射是实现其广泛应用的前提，也是过去10多年人们一直在努力探索的课题。
图1. 双色激光场激发等离子体光丝辐射太赫兹波的实验装置、太赫兹偏振状态的实验和模拟结果
图2. 激光等离子体光丝中“空间线性偶极阵列”辐射椭圆偏振太赫兹波的物理图像
在空气中传输的激光，当其光强达到一定阈值时，会电离空气中的氮气和氧气等分子形成等离子体，这种等离子体是很好的宽带太赫兹辐射源。利用双色激光场在空气中激发等离子体是目前产生超宽带太赫兹脉冲最有效的方法之一，其频谱宽度甚至可达到50THz。该机制在过去10多年得到了广泛的研究。在前期工作中，上海交通大学物理与天文学院激光等离子体实验室盛政明、陈燕萍负责的太赫兹研究团队提出并验证了他们发展的偶极阵列辐射模型，据此实现了对太赫兹辐射角分布、载波包络相位、脉冲能量等的有效操控 [PRL 117, 243901 (2016)]。但迄今人们仍然没有实现对宽带太赫兹辐射的偏振状态的精密操控。常规的光学手段如波片等受限于材料特性，其有效光谱带宽和透过率等都不尽人意。特定的偏振态譬如圆偏振，对手性分子或者材料研究具有特别的意义。
最近，该研究团队利用飞秒激光装置，通过操控激发等离子体的双色激光场，突破传统偏振控制元件的带宽限制瓶颈，首次实现了对激光等离子体辐射的宽带强太赫兹脉冲偏振状态的灵活操控。实验上，他们使用圆偏振的基频光和线偏振的倍频光组成的激光双色场，获得了圆形太赫兹偏振变化域，通过控制激光等离子体通道长度、激光双色场相对相位和基频光偏振手性实现了对宽带太赫兹辐射偏振椭圆率、偏振方向角、偏振手性等参数的独立调控。理论上建立了“空间线性偶极阵列”的宏观模型，该模型中等离子体光丝各个部分的自由电子具有不同的动量分布，于是沿着光丝形成一系列具有不同振荡幅度和振荡方向的太赫兹辐射偶极，这些偶极辐射的太赫兹波在远场相干叠加，形成了具有特定偏振状态的太赫兹脉冲。该模型的预测与实验观测结果相一致，为宽带太赫兹辐射的偏振操控技术奠定了基础。该研究有助于推动宽带太赫兹波在材料分析、结构生物学、遥感和通信等领域的广泛应用。相关工作于2018年8月发表在Nature Photonics[12, 554 (2018)]上 (http://www.nature.com/articles/s41566-018-0238-9)。
该项研究得到了国家科技部重点基础研究发展计划（No. 2014CB339801）、国家自然科学基金项目（Nos.11474202、11655002、11774228和11721091）的资助。
微信公众号
