Nat. Commun. 封面级研究 | 双色激光“飞行焦点”赋能太赫兹：频谱可调、聚焦更优、形状可控

导语

近日，罗切斯特大学激光能量学实验室J. J. Pigeon团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究(https://doi.org/10.1038/s41467-026-76228-6)，他们利用一种名为“飞行焦点”（Flying Focus）的前沿激光技术，首次实现了对太赫兹辐射时空结构的主动塑造——不仅让太赫兹光束“随心而变”，还大幅提升了其聚焦能力和频谱可调性。

核心发现

实验结果显示，改变“飞行焦点”的速度，太赫兹辐射的特性发生了翻天覆地的变化。

1.光束形状大变身：

当使用亚光速焦点时，产生的太赫兹波集中在中心轴上，形成一个实心光斑。

当切换到超光速焦点时，太赫兹波变成了一个甜甜圈形状的环状光束。这完美验证了“切伦科夫效应”的预测——当电离前沿超光速运动时，辐射会集中在特定锥角上。

2.频谱与聚焦能力双重优化：

亚光速产生的太赫兹，脉冲更长，低频成分更丰富。

超光速产生的太赫兹，脉冲更短，高频成分更突出。

更令人惊喜的是，与普通聚焦方式相比，“飞行焦点”产生的太赫兹聚焦光斑更小。高频分量可聚焦至仅57微米，接近衍射极限，这意味着能量密度更高，作用更精准。

3.效率不降反升：

实验在空气中实现了10⁻⁴量级的能量转换效率，与当前最先进的传统方法相当，甚至超光速模式下的效率还略高一些。

研究意义

这项工作的意义远不止于在实验室里造出几种新形状的光斑。

为高场物理开辟新路：“飞行焦点”能将激光能量分散在更长的距离上，从而避免过高的强度损坏介质或产生有害的“多丝效应”。这为利用更高能量的激光器产生前所未有的强太赫兹场铺平了道路，有望催生新型的粒子加速器或强场物理实验平台。

赋能时域光谱与通信：能够同时控制太赫兹的空间模式（实心/空心）和频谱特性，意味着科学家可以针对不同样品（如半导体、生物组织）定制最适合的探测光束，或者为6G通信设计携带更多信息的结构光场。

技术集成潜力巨大：论文最后提到，未来将“飞行焦点”所需的光栅和反射镜集成到单一光学元件上，将使该系统更加紧凑和易用。届时，这项技术将有望走出实验室，成为太赫兹科学与应用领域的“标准配置”。

图1：双色飞行焦点通过光致电离产生太赫兹辐射

图2：亚光速与超光速双色飞行焦点脉冲产生轴上发射与锥形发射

图3：双色飞行焦点脉冲产生聚焦更紧致的太赫兹辐射

图4：飞行焦点速度调控太赫兹频谱而不改变太赫兹自身的聚焦传播速度

【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！