As a femtosecond terawatt laser pulse propagates along a positive density gradient within a stratified plasma column, it drives a low-frequency electromagnetic wake wave, the period of electron fluid oscillations in the wake gradually shrinking. Phase velocity of the wake promptly exceeds the vacuum speed of light, setting in near-forward emission of terahertz Cherenkov radiation. As the wake accelerates further, the Cherenkov emission ray rotates by 180∘. Emission from a given plasma locality is sustained for a finite interval of time, in the middle of which the wake experiences a 'reversal,' its phase velocity becoming singular and changing sign (Zhang C J et al 2017 Phys. Rev. Lett. 119 064801) At this instant, the electromagnetic energy flows at 90∘, the emission power reaching its peak. After the reversal, the wake keeps radiating into the rear hemisphere until its phase velocity becomes subluminal. Experimentally capturing evolution of the Cherenkov signal may thus shed light onto the plasma wake dynamics. Far away from the plasma, the radiation fills an expanding, almost spherical shell, the shell thickness increasing with an increase in the observation angle. The length of the terahertz signal sampled in the wave zone thus ranges from zero (forward emission) to a few tens of picoseconds (backward emission). The signal is positively chirped, its frequency increasing from the Langmuir frequency at the foot of the column to the Langmuir frequency at the top. Theoretical estimates for the regimes involving 10 TW-class drive pulses promise a few-kW emission power; the energy conversion efficiency, from optical to terahertz, of order 10−7; and an MV m−1-scale electric field strength centimeters away from the plasma.
フェムト秒テラワットレーザーパルスが成層プラズマカラム内の正の密度勾配に沿って伝播する際、低周波電磁ウェーク波を駆動し、ウェーク内の電子流体振動の周期は徐々に短縮する。ウェークの位相速度は即座に真空中の光速を超え、テラヘルツチェレンコフ放射の前方放出が始まる。ウェークがさらに加速するにつれ、チェレンコフ放射光線は180度回転する。特定のプラズマ位置からの放射は有限の時間間隔にわたって持続し、その中間時点でウェークは「反転」を経験し、その位相速度は特異点に達して符号を変える（Zhang C J et al 2017 Phys. Rev. Lett. 119 064801）。この瞬間、電磁エネルギーは90度方向に流れ、放射パワーはピークに達する。反転後、ウェークは位相速度が亜光速になるまで後方半球への放射を継続する。チェレンコフ信号の時間的発展を実験的に捉えることで、プラズマウェークのダイナミクスが解明される可能性がある。プラズマから遠方では、放射は拡大するほぼ球殻を満たし、その殻の厚さは観測角度の増加とともに増大する。波動領域でサンプリングされたテラヘルツ信号のパルス長は、前方放射ではゼロから後方放射では数十ピコ秒までの範囲となる。信号は正のチャープを有し、その周波数はカラム底部のラングミュア周波数からカラム頂部のラングミュア周波数まで増加する。10 TW級駆動パルスを含む条件下での理論的見積もりによれば、数kWの放射パワー、光からテラヘルツへのエネルギー変換効率は10⁻⁷のオーダー、そしてプラズマから数センチメートル離れた位置での電界強度はMV m⁻¹のオーダーが期待される。