太赫兹波又称为非电离辐射，当足够多的太赫兹光子在空间和时间上聚焦时，就会变成电离辐射。由韩国和美国科学家领导的团队创​​造了世界上最强的太赫兹脉冲，可以瞬间电离原子和分子并将其转化为等离子体。

该研究发表在《光：科学与应用》杂志上，讨论了太赫兹驱动的隧道电离，这将为等离子体中的极端非线性和相对论太赫兹物理铺平道路。

太赫兹(1 THz = 10¹² Hz)位于电磁波谱的微波和红外区域之间，随着新型太赫兹源和探测器的开发，该频段的频谱差距正在被迅速缩小，并在光谱、成像、传感和通信等领域有着广阔的应用前景。

这些应用极大地受益于提供高能量或高平均功率辐射的太赫兹源。另一方面，高强度或强场太赫兹源对于观察或利用新型非线性太赫兹物质相互作用至关重要，其中电场和/或磁场强度起着关键作用。

由韩国光州科学技术研究院(GIST)先进光子学研究所的 Chul Kang 博士和美国马里兰州帕克分校电子与应用物理研究所的 Ki-Yong Kim 教授领导的科学家团队创造了世界上最强的太赫兹场，强度为每厘米 260 兆伏 (MV/cm)，或等效峰值强度为每平方厘米 9 x 10¹³ 瓦 (W/cm²)。

该峰值场强或强度是迄今为止太赫兹频率(0.1~20 THz)达到的最高值，包括利用激光器、自由电子激光器、加速器和真空电子学的所有类型的太赫兹源。

为了产生高能太赫兹脉冲，科学家们使用了 150 太瓦级钛宝石激光器，将光能转换为铌酸锂 (LiNbO₃) 中的太赫兹辐射(所谓的光学整流)，铌酸锂是一种具有强非线性和高损伤阈值的晶体。具体来说，他们使用了大直径 (75 毫米) 铌酸锂晶片，也掺杂了 5% 的氧化镁 (MgO)，以产生能量可扩展的太赫兹辐射。

为了有效地将光转换为太赫兹辐射，必须考虑另一个重要因素：相位(或速度)匹配。科学家解释说：“如果产生太赫兹辐射的光学激光脉冲与铌酸锂中产生的太赫兹波以相同的速度传播，那么输出的太赫兹能量可以随着传播距离不断增长。”

“传统上，倾斜脉冲前沿方法用于满足棱镜形铌酸锂中的相位匹配。然而，这种方法主要产生低频太赫兹辐射，通常峰值小于 1 THz，这自然会导致相对较大的焦斑尺寸(~mm)，从而限制焦点处的峰值太赫兹场强。”

该团队此前在铌酸锂中发现了一种新的相位匹配条件，这种条件不需要任何脉冲前倾。他们指出：“太赫兹波的速度通常与频率有关，两个声子共振频率之间的差异非常大，以至于存在一个频率，在这个频率上，太赫兹脉冲和激光脉冲都以相同的速度传播。

“对于中心波长为 800 nm 的钛宝石激光脉冲，这种情况发生在约 15 THz 时。这种相位匹配使得产生毫焦耳级太赫兹波成为可能。此外，由此产生的 15 THz 辐射可以紧密聚焦，有可能在焦点处产生强电磁场。”

科学家通过分别测量太赫兹能量、焦点大小和脉冲持续时间，仔细确定了焦点处的峰值电场和磁场强度，分别为260±20 MV/cm和87±7 T。

他们强调：“如此强烈的太赫兹脉冲，当聚焦到气态或固态介质中时，可以隧穿电离组成原子或分子，并将介质转化为等离子体。作为原理证明，我们已经展示了太赫兹驱动的各种固体目标的电离，包括金属、半导体和聚合物。”

“我们的太赫兹源采用平面铌酸锂晶体，有望进一步提高输出能量和场强。这可以产生超强(~GV/cm)太赫兹场，”他们补充道。

科学家们相信，他们的研究将开辟新的机遇，不仅可以研究太赫兹产生的等离子体中的非线性效应，还可以利用太赫兹驱动的质动力进行各种应用，包括多keV太赫兹谐波产生，甚至研究太赫兹加速电子的相对论效应。

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