【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北航國(guó)新院吳曉君教授課題組在高平均功率、高重復(fù)頻率、強(qiáng)場(chǎng)太赫茲光源研究中取得重大突破。課題組基于工業(yè)級(jí)摻鐿飛秒激光器，采用傾斜波前泵浦鈮酸鋰晶體，在無任何冷卻裝置的室溫環(huán)境下，成功實(shí)現(xiàn)了平均功率達(dá)104mW的太赫茲輸出，創(chuàng)下該條件下世界最高紀(jì)錄，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率接近0.1%。相關(guān)研究成果以100-mW high-average power strong-field terahertz source為題發(fā)表于Chinese Physics Letters期刊。北航國(guó)新院博士后徐奧杰為論文的第一作者，吳曉君教授為通訊作者，北航國(guó)新院為論文第一完成單位。
 

　　太赫茲波，位于微波與紅外光之間的電磁波譜“空白地帶”，曾因其難以高效產(chǎn)生和探測(cè)而被稱為“太赫茲gap”。它兼具“分子指紋”識(shí)別能力與對(duì)非金屬材料的穿透能力，被譽(yù)為檢測(cè)領(lǐng)域的“火眼金睛”。然而，長(zhǎng)期以來，微瓦級(jí)的低平均功率嚴(yán)重制約了太赫茲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致檢測(cè)速度慢、信噪比低、綜合成本高。
 

　　強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源，通常指具備單脈沖能量>1μJ、峰值電場(chǎng)>100kV/cm、峰值磁場(chǎng)>1mT的太赫茲脈沖。這些獨(dú)特的源能夠支持超快自旋控制、太赫茲高次諧波產(chǎn)生等前沿物理研究。與此同時(shí)，為了滿足更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)需求，下一代X射線光源(如歐洲XFEL)正在向更高重復(fù)頻率發(fā)展，這也對(duì)其配套的太赫茲源提出了重復(fù)頻率需≥100kHz的嚴(yán)苛要求。此外，太赫茲耦合角分辨光電子能譜(THz-ARPES)和掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(THz-SNOM)等先進(jìn)精密測(cè)量技術(shù)與商業(yè)應(yīng)用，也迫切需要具有高平均功率的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源。
 

　　高平均功率如同為太赫茲“眼睛”裝上“超亮探照燈”，能從根本上解決三大產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)：
 

　　提速增效：相較于傳統(tǒng)1kHz鈦寶石激光器泵浦的太赫茲源，本系統(tǒng)的太赫茲通量提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為強(qiáng)場(chǎng)太赫茲時(shí)域光譜的高速在線檢測(cè)提供了核心技術(shù)支撐。
 

　　性能增強(qiáng)：高能量泵浦可有效激發(fā)更微弱的非線性物理現(xiàn)象；相較于傳統(tǒng)kHz系統(tǒng)，本系統(tǒng)的高重復(fù)頻率特性有助于顯著提升信噪比。
 

　　國(guó)產(chǎn)化突破：整套系統(tǒng)的泵浦產(chǎn)生核心部分已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，具備工程化應(yīng)用潛力。
 

　　為滿足這些日益增長(zhǎng)的需求，非線性晶體和泵浦技術(shù)的選擇至關(guān)重要。鈮酸鋰晶體因其高非線性系數(shù)和高損傷閾值，成為高強(qiáng)度激光泵浦產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)太赫茲的首選材料。其中，傾斜脈沖前泵浦(TPFP)技術(shù)通過精巧的相位匹配設(shè)計(jì)，使得在鈮酸鋰中實(shí)現(xiàn)百分比量級(jí)的能量轉(zhuǎn)換效率成為可能。圖1清晰地展示了基于鈮酸鋰光整流效應(yīng)的太赫茲脈沖能量與激光重復(fù)頻率的全球研究態(tài)勢(shì)。
 

　　△圖1：鈮酸鋰晶體光整流產(chǎn)生太赫茲脈沖的效能概覽圖(灰色區(qū)域：鈦寶石激光泵浦；藍(lán)色區(qū)域：摻鐿激光泵浦)。對(duì)角線標(biāo)示平均功率水平
 

　　在灰色區(qū)域所代表的鈦寶石激光器泵浦方案中，要獲得高的單脈沖太赫茲能量，就必須將重復(fù)頻率降至1kHz以下。這導(dǎo)致了雖然脈沖能量高，但平均功率普遍偏低。吳曉君團(tuán)隊(duì)此前曾在該領(lǐng)域取得突破，在1Hz重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了13.9mJ的太赫茲單脈沖能量，創(chuàng)下世界紀(jì)錄，但其低重復(fù)率導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集時(shí)間漫長(zhǎng)，平均功率受限。在藍(lán)色區(qū)域所代表的摻鐿激光器泵浦方案中，研究趨勢(shì)表明，太赫茲重復(fù)率與單脈沖能量之間存在明顯的反比關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)百毫瓦級(jí)平均功率同時(shí)保有足夠的單脈沖能量，最可行的方案是使用重復(fù)頻率在100kHz左右的摻鐿激光器。
 

　　然而，商業(yè)化的摻鐿激光器在提供高平均功率的同時(shí)，其單脈沖能量通常較低(<1mJ)，且脈沖較長(zhǎng)，這導(dǎo)致光學(xué)-太赫茲轉(zhuǎn)換效率不高。通過縮小泵浦光斑來提高能量密度以提升效率，又會(huì)面臨光場(chǎng)走離效應(yīng)和晶體損傷的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，在高重復(fù)頻率下，高平均泵浦功率引入的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步下降，甚至直接損壞晶體。因此，如何在室溫環(huán)境下，利用工業(yè)級(jí)摻鐿激光器實(shí)現(xiàn)高效率、高平均功率的太赫茲輸出，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，已成為該領(lǐng)域亟待攻克的核心難題。
 

　　該工作通過采用國(guó)產(chǎn)高功率、長(zhǎng)脈沖、工業(yè)級(jí)飛秒激光器(1030nm, 1ps, 2mJ, 100kHz, 杭州奧創(chuàng)光子)泵浦鈮酸鋰晶體，系統(tǒng)性地優(yōu)化了泵浦激光脈沖光斑大小和激光脈沖寬度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)化了太赫茲的收集效率。在室溫?zé)o冷卻的條件下，實(shí)現(xiàn)了104mW的太赫茲平均功率輸出，轉(zhuǎn)換效率約0.1%，峰值電場(chǎng)達(dá)421kV/cm。該成果創(chuàng)下了室溫?zé)o冷卻條件下太赫茲平均功率的世界紀(jì)錄。尤為突出的是，該強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源功率之高，無需使用靈敏的THz相機(jī)，僅憑一塊熱敏液晶片即可清晰觀察到太赫茲的聚焦光斑，直觀地展示了其高功率特性，為強(qiáng)場(chǎng)太赫茲的應(yīng)用提供了極其便利的條件。
 

　　△ 圖2：高重復(fù)頻率和平均功率太赫茲源的實(shí)驗(yàn)裝置。L: 鏡頭。M: 800或1030nm高反射鏡。HWP: 半波板。GM: 鍍金鍍膜鏡。LN: 鈮酸鋰。OAP: 離軸拋物面鏡。ITO: 氧化銦錫鍍膜玻片(太赫茲反射率>99%)。QWP: 四分之一波片。WP: 沃拉斯頓棱鏡。PD: 光電探測(cè)器。EOS: 電光采樣
 

　　圖2展示了高功率強(qiáng)場(chǎng)太赫茲光源的產(chǎn)生和探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。泵浦激光來自一臺(tái)工業(yè)級(jí)摻鐿飛秒激光器，其重復(fù)頻率在1Hz至100kHz間可調(diào)。采用反射光柵構(gòu)建傾斜脈沖前沿，再通過一個(gè)4f成像系統(tǒng)將具有傾斜波前的泵浦光精確成像至5%氧化鎂摻雜的鈮酸鋰?yán)忡R晶體中。產(chǎn)生的太赫茲輻射由離軸拋物面鏡收集和聚焦，并利用電光采樣技術(shù)探測(cè)其時(shí)域波形。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)首先系統(tǒng)研究了泵浦光斑尺寸對(duì)太赫茲產(chǎn)生效率的影響。通過組合使用不同放大率的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(N=1或2)和4f成像系統(tǒng)(M=1.85或2)，在晶體入口處獲得了三種不同的泵浦光斑尺寸，如圖3(a)-3(c)所示。
 

　　△圖3：由(Gentec-EO：Beamage-4m)測(cè)量的激光參數(shù)為800 fs和100Hz時(shí)，三個(gè)不同泵浦光斑的太赫茲能量結(jié)果。(a-c) 三個(gè)不同的泵浦光斑進(jìn)入鈮酸鋰晶體，望遠(yuǎn)鏡參數(shù)分別為??=2和??=1.85，??=2和??=2，??=1和??=2。(d-f) 太赫茲能量作為對(duì)應(yīng)于泵浦光斑(a-c)的不同泵浦通量的函數(shù)。誤差條表示從泵流量曲線的十次測(cè)量中計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)偏差
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在泵浦能量固定的情況下，較小的泵浦光斑能帶來更高的泵浦能量密度，從而提升太赫茲產(chǎn)生效率。如圖3(f)所示，在未使用前置擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(N=1)且4f系統(tǒng)縮小率為2(M=2)時(shí)，獲得了最高的單脈沖太赫茲能量2.95μJ，轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.20%。然而，考慮到高功率下晶體損傷的風(fēng)險(xiǎn)，最終選擇了光斑尺寸較大、能量密度適中的配置(N=2, M=1.85)進(jìn)行高平均功率實(shí)驗(yàn)，以在效率和安全性之間取得最佳平衡。
 

　　除了光斑尺寸，泵浦脈沖的持續(xù)時(shí)間也是影響轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。通過調(diào)節(jié)激光器內(nèi)光柵對(duì)的間距，可以連續(xù)調(diào)節(jié)泵浦脈沖的寬度。圖3(a)展示了通過線性調(diào)節(jié)脈沖寬度引入的群延遲色散。
 

　　△圖4：表征1khz最大太赫茲信號(hào)的方法。(a) 改變泵脈沖持續(xù)時(shí)間的啁啾方法。(b)太赫茲能量和平均功率隨泵浦脈沖持續(xù)時(shí)間的變化特征。(c)在OAP2的焦點(diǎn)位置測(cè)量的太赫茲光束輪廓，其中太赫茲?rùn)E圓光束在其長(zhǎng)軸上顯示出1.12mm的FWHM光斑，在其短軸上顯示出0.96mm的FWHM光斑。(d)歸一化太赫茲時(shí)域波形。(e)相應(yīng)的功率譜，其中水平虛線表示平均噪聲底，并給出57dB的動(dòng)態(tài)范圍
 

　　如圖4(b)所示，在1kHz重復(fù)頻率下，當(dāng)泵浦脈沖寬度從800fs增加至1350fs時(shí)，太赫茲能量先增加后減少，并在1ps脈沖寬度附近達(dá)到最大值2.14μJ。這一現(xiàn)象源于脈沖寬度與相互作用長(zhǎng)度、峰值功率之間的復(fù)雜平衡。因此，后續(xù)的高功率實(shí)驗(yàn)均在1 ps的優(yōu)化脈沖寬度下進(jìn)行。
 

　　在優(yōu)化了泵浦光斑和脈沖寬度后，研究團(tuán)隊(duì)逐步提升激光器的重復(fù)頻率和功率。圖5(a)展示了在1kHz至100kHz共7個(gè)不同重復(fù)頻率下，太赫茲平均功率隨泵浦功率的變化。
 

　　△圖5：通過泵浦功率、能量和不同重復(fù)率的影響表征太赫茲源。(a)太赫茲平均功率作為重復(fù)頻率分別為1kHz、5kHz、10kHz、22kHz、33.3kHz、50kHz和100kHz時(shí)泵功率的函數(shù)。(b)太赫茲功率為35mW的熱敏液晶膜的太赫茲焦斑分布圖。(c)太赫茲能量隨不同重復(fù)頻率下泵浦能量的函數(shù)關(guān)系。(d)太赫茲轉(zhuǎn)換效率與不同重復(fù)頻率下泵浦流量的關(guān)系
 

　　最終，在100kHz重復(fù)頻率、105W泵浦功率下，系統(tǒng)輸出了104mW的太赫茲平均功率，這是目前室溫?zé)o冷卻條件下的世界最高紀(jì)錄。當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步提高時(shí)，由于光柵和高反鏡的損傷，輸出功率出現(xiàn)下降，這表明在光學(xué)元件的損傷閾值方面仍有提升空間。
 

　　得益于高平均功率，該太赫茲源展現(xiàn)出卓越的實(shí)用性。如圖5(b)所示，研究人員僅使用一塊普通的熱敏液晶片，就在離軸拋物鏡的焦點(diǎn)處清晰觀測(cè)到了太赫茲的聚焦光斑。這一現(xiàn)象直觀證明了該太赫茲源具有足夠高的功率，極大簡(jiǎn)化了光路對(duì)準(zhǔn)和調(diào)試過程，為其在快速成像、無損檢測(cè)等需要實(shí)時(shí)可視化的應(yīng)用中鋪平了道路。
 

　　該研究成功演示了一種基于工業(yè)級(jí)摻鐿飛秒激光器的高重復(fù)頻率、高平均功率強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源。通過系統(tǒng)優(yōu)化泵浦光斑尺寸和脈沖寬度，在室溫?zé)o任何冷卻的簡(jiǎn)易條件下，實(shí)現(xiàn)了104mW平均功率的世界紀(jì)錄級(jí)輸出，同時(shí)該源功率之高足以用液晶片實(shí)現(xiàn)光斑可視化。這項(xiàng)工作極大地推動(dòng)了強(qiáng)場(chǎng)太赫茲技術(shù)從復(fù)雜實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)向?qū)嵱没⒐ぞ呋较虻霓D(zhuǎn)變。隨著功率瓶頸的突破，太赫茲強(qiáng)源技術(shù)將在航空航天、無損檢測(cè)、生物醫(yī)療及科學(xué)研究等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，為材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)無損檢測(cè)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的研究工具和廣闊的應(yīng)用前景。