英國斯特拉斯克萊德大學（University of Strathclyde）和北京首都師范大學的科學家們正在開發(fā)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(yè)應(yīng)用。

與可見光不同的是，太赫茲輻射可以穿透塑料、紙板、木材和復合材料等，使其成為用于成像和安保的有害X射線的極佳替代品。盡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(lǐng)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(fā)射出高能量、低電荷的光束外，還可以產(chǎn)生超高電荷的相對論電子束。

研究小組表明，當超強超短激光脈沖集中到氦氣中時，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于通常的低電荷（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(xù)時間為飛秒級的電子束。這項研究發(fā)表在《新物理學雜志》（New Journal of Physics）上。蘇格蘭應(yīng)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(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)全新的道路。”“新工具為科學家?guī)砹诵碌倪M展，超強的太赫茲輻射與物質(zhì)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(xiàn)象，以及對物質(zhì)的獨特控制，例如使用高太赫茲場或半導體的能帶扭曲結(jié)構(gòu)來排列分子。

“SCAPA為研究這些現(xiàn)象提供了一個理想的環(huán)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：“由于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?yōu)楹两辜墸@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(zhuǎn)換效率。”首都師范大學的研究員薛楊博士表示：“當電子穿過介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面時，發(fā)射的躍遷輻射會覆蓋較廣的頻率范圍。”“模擬顯示，激光尾波場加速器發(fā)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(chǎn)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，位于中紅外和微波光譜之間。大分子的振動和旋轉(zhuǎn)光譜指紋區(qū)與太赫茲波段一致，這使得太赫茲光譜成為識別有害物質(zhì)（如藥物和爆炸物）的強大工具。此外，太赫茲輻射對于生物學和醫(yī)學非常重要，因為許多生物大分子如DNA和蛋白質(zhì)在太赫茲頻率會發(fā)生集體運動。太赫茲輻射也可用于探索半導體和納米結(jié)構(gòu)的復雜性，因此是開發(fā)機電器件和太陽能電池的重要工具。

有許多不同的產(chǎn)生太赫茲輻射的方法存在，包括驅(qū)動半導體天線中的光電流，激發(fā)量子阱和電光晶體中的光學整流。但是，由于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(jīng)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(xù)時間的電子束以空心圓錐的形態(tài)發(fā)射，其開口角度與激光束軸線呈45度左右。研究人員發(fā)現(xiàn)，激光能量可以有效地轉(zhuǎn)化為超強太赫茲輻射脈沖。這項研究由工程和物理科學研究委員會資助。