高能强场太赫兹辐射源
2018-12-14

太赫兹,又被称为亚毫米生命射线。它位于微波与远红外之间,频率范围覆盖0.1-30THz,是电磁波谱上还未被人类深入研究和开发、但极具学术价值和重要应用的一个频段。太赫兹对应生命分子DNA和蛋白质的集体振动频率,人体70%的水的氢键网络对应的动态时间也在皮秒量级(皮秒的倒数即为太赫兹)。但是,当人们试图利用电子学和光学的技术分别从低频和高频向该频段扩展时却都遇到了许多困难与挑战,导致频段为电磁波谱上遗留下“沃土”。

1 太赫兹电磁辐射在电磁波谱上的特殊位置

阻碍太赫兹科学与技术发展的瓶颈在于高效率辐射源和高灵敏度探测器缺乏,以及太赫兹功能器件的缺乏太赫兹辐射与物质相互作用的机理也有待更为深入的研究其中高效率太赫兹辐射源的缺乏极为关键基于超快激光技术的太赫兹辐射源目前获得效率、宽带、低成本的太赫兹源的最佳途径之一而倾斜前技术基于超快激光技术的太赫兹辐射源中,可获得低频高能强太赫兹辐射源的最佳选择

倾斜波前技术2002年Hebling教授首次提出[1]。通过铌酸锂晶体之前对泵浦激光能量传播方向进行倾斜,从而铌酸锂晶体内获得最佳相位匹配更长相干作用距离,可极大提高太赫兹辐射的能量转化效率。但是超快超强太赫兹源的获得需要高能量的激光器作为泵浦这样的激光器在搭建的初期为获得更高的峰值功率,其脉冲宽度普遍小于50飞秒如此窄的脉冲宽度非常不适合倾斜波前技术应用,因为超短脉冲不仅会导致相位匹配的有效作用距离变短,而且高的激光峰值泵浦强度会导致损坏晶体因此,将具备焦耳量级的高能超短激光脉冲用于倾斜波前技术,实现毫焦量级的太赫兹脉冲输出,一直是国际公认的一大科学和技术难题。

近期北京航空航天大学吴晓君副教授团队与中国科学院物理研究所合作,在20TW高能钛宝石激光器装置上,通过啁啾脉冲展宽技术和光谱调制技术,克服超短脉冲泵浦引起的太赫兹产生效率下降的难题,获得了单脉冲能量0.2mJ、峰值电场4MV/cm的高能强场太赫兹脉冲源的重要突破[2]2018年4月23-26第九届超快现象与太赫兹国际会议The 9thInternational Symposium on Ultrafast Phenomena and Terahertz Waves上,倾斜波前技术发明人Hebling教授在主题报告中,该研究成果利用该技术获得的最新世界纪录。

极端太赫兹科学与技术已成为超快光学和太赫兹领域的第二波研究热潮[3]极端太赫兹科学呼吁脉冲能量达到毫焦、峰值功率达到GW峰值电场达到10MV/cm、峰值磁场达到3特斯拉的超快超强太赫兹脉冲辐射源出现在极端实验条件下,超强太赫兹源可用于物理、化学材料、生物和医学等各个学科领域,并与相关研究实现广泛交叉融合,而开拓更为广阔的应用前景,已成为国际上重点发展的研究方向。

2 通过啁啾脉冲展宽技术和光谱调制技术获得0.2mJ、4MV/cm的低频高能强场太赫兹脉冲

晓君,电子信息工程学院,副教授,卓越百人E-mail: xiaojunwu@buaa.edu.cn

参考文献

[1]J. Hebling, G. Almási, I. Kozma, and J. Kuhl, Velocity matching by pulse front tilting for large area THz-pulse generation, Opt. Express 10(21), 1161–1166 (2002).

[2]Xiao-jun Wu, Jing-long Ma, Bao-long Zhang, Shu-su Chai, Zhao-ji Fang, Chen-Yi Xia, De-yin Kong, Jin-guang Wang, Hao Liu, Chang-Qing Zhu, Xuan Wang, Cun-Jun Ruan, and Yu-Tong Li, Highly efficient generation of 0.2 mJ terahertz pulses in lithium niobate at room temperature with sub-50 fs chirped Ti:sapphire laser pulses, Optics Express, 2018, 26 (6), 7107-7116.

[3]Xi Cheng Zhang, Alexander Shkurinov and Yan Zhang, Extreme terahertz science, Nat. Photon. 11, 16 (2017).