【儀表網 研發快訊】近日，北航國新院吳曉君教授課題組在高平均功率、高重復頻率、強場太赫茲光源研究中取得重大突破。課題組基于工業級摻鐿飛秒激光器，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境下，成功實現了平均功率達104mW的太赫茲輸出，創下該條件下世界最高紀錄，同時轉換效率接近0.1%。相關研究成果以100-mW high-average power strong-field terahertz source為題發表于Chinese Physics Letters期刊。北航國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”，曾因其難以高效產生和探測而被稱為“太赫茲gap”。它兼具“分子指紋”識別能力與對非金屬材料的穿透能力，被譽為檢測領域的“火眼金睛”。然而，長期以來，微瓦級的低平均功率嚴重制約了太赫茲技術的實際應用，導致檢測速度慢、信噪比低、綜合成本高。
強場太赫茲源，通常指具備單脈沖能量>1μJ、峰值電場>100kV/cm、峰值磁場>1mT的太赫茲脈沖。這些獨特的源能夠支持超快自旋控制、太赫茲高次諧波產生等前沿物理研究。與此同時，為了滿足更復雜的實驗需求，下一代X射線光源(如歐洲XFEL)正在向更高重復頻率發展，這也對其配套的太赫茲源提出了重復頻率需≥100kHz的嚴苛要求。此外，太赫茲耦合角分辨光電子能譜(THz-ARPES)和掃描近場光學顯微鏡(THz-SNOM)等先進精密測量技術與商業應用，也迫切需要具有高平均功率的強場太赫茲源。
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業痛點：
提速增效：相較于傳統1kHz鈦寶石激光器泵浦的太赫茲源，本系統的太赫茲通量提升兩個數量級，為強場太赫茲時域光譜的高速在線檢測提供了核心技術支撐。
性能增強：高能量泵浦可有效激發更微弱的非線性物理現象；相較于傳統kHz系統，本系統的高重復頻率特性有助于顯著提升信噪比。
國產化突破：整套系統的泵浦產生核心部分已基本實現國產化，具備工程化應用潛力。
為滿足這些日益增長的需求，非線性晶體和泵浦技術的選擇至關重要。鈮酸鋰晶體因其高非線性系數和高損傷閾值，成為高強度激光泵浦產生強場太赫茲的首選材料。其中，傾斜脈沖前泵浦(TPFP)技術通過精巧的相位匹配設計，使得在鈮酸鋰中實現百分比量級的能量轉換效率成為可能。圖1清晰地展示了基于鈮酸鋰光整流效應的太赫茲脈沖能量與激光重復頻率的全球研究態勢。
△圖1：鈮酸鋰晶體光整流產生太赫茲脈沖的效能概覽圖(灰色區域：鈦寶石激光泵浦；藍色區域：摻鐿激光泵浦)。對角線標示平均功率水平
在灰色區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，就必須將重復頻率降至1kHz以下。這導致了雖然脈沖能量高，但平均功率普遍偏低。吳曉君團隊此前曾在該領域取得突破，在1Hz重復頻率下實現了13.9mJ的太赫茲單脈沖能量，創下世界紀錄，但其低重復率導致數據采集時間漫長，平均功率受限。在藍色區域所代表的摻鐿激光器泵浦方案中，研究趨勢表明，太赫茲重復率與單脈沖能量之間存在明顯的反比關系。要實現百毫瓦級平均功率同時保有足夠的單脈沖能量，最可行的方案是使用重復頻率在100kHz左右的摻鐿激光器。
然而，商業化的摻鐿激光器在提供高平均功率的同時，其單脈沖能量通常較低(<1mJ)，且脈沖較長，這導致光學-太赫茲轉換效率不高。通過縮小泵浦光斑來提高能量密度以提升效率，又會面臨光場走離效應和晶體損傷的風險。更重要的是，在高重復頻率下，高平均泵浦功率引入的熱效應會導致轉換效率進一步下降，甚至直接損壞晶體。因此，如何在室溫環境下，利用工業級摻鐿激光器實現高效率、高平均功率的太赫茲輸出，并確保系統的穩定運行，已成為該領域亟待攻克的核心難題。
該工作通過采用國產高功率、長脈沖、工業級飛秒激光器(1030nm, 1ps, 2mJ, 100kHz, 杭州奧創光子)泵浦鈮酸鋰晶體，系統性地優化了泵浦激光脈沖光斑大小和激光脈沖寬度這兩個關鍵參數，并優化了太赫茲的收集效率。在室溫無冷卻的條件下，實現了104mW的太赫茲平均功率輸出，轉換效率約0.1%，峰值電場達421kV/cm。該成果創下了室溫無冷卻條件下太赫茲平均功率的世界紀錄。尤為突出的是，該強場太赫茲源功率之高，無需使用靈敏的THz相機，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，為強場太赫茲的應用提供了極其便利的條件。
△ 圖2：高重復頻率和平均功率太赫茲源的實驗裝置。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: 光電探測器。EOS: 電光采樣
圖2展示了高功率強場太赫茲光源的產生和探測實驗裝置示意圖。泵浦激光來自一臺工業級摻鐿飛秒激光器，其重復頻率在1Hz至100kHz間可調。采用反射光柵構建傾斜脈沖前沿，再通過一個4f成像系統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棱鏡晶體中。產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探測其時域波形。
研究團隊首先系統研究了泵浦光斑尺寸對太赫茲產生效率的影響。通過組合使用不同放大率的望遠鏡系統(N=1或2)和4f成像系統(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)測量的激光參數為800 fs和100Hz時，三個不同泵浦光斑的太赫茲能量結果。(a-c) 三個不同的泵浦光斑進入鈮酸鋰晶體，望遠鏡參數分別為??=2和??=1.85，??=2和??=2，??=1和??=2。(d-f) 太赫茲能量作為對應于泵浦光斑(a-c)的不同泵浦通量的函數。誤差條表示從泵流量曲線的十次測量中計算出的標準偏差
實驗結果表明，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，從而提升太赫茲產生效率。如圖3(f)所示，在未使用前置擴束望遠鏡(N=1)且4f系統縮小率為2(M=2)時，獲得了最高的單脈沖太赫茲能量2.95μJ，轉換效率達0.20%。然而，考慮到高功率下晶體損傷的風險，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)進行高平均功率實驗，以在效率和安全性之間取得最佳平衡。
除了光斑尺寸，泵浦脈沖的持續時間也是影響轉換效率的關鍵因素。通過調節激光器內光柵對的間距，可以連續調節泵浦脈沖的寬度。圖3(a)展示了通過線性調節脈沖寬度引入的群延遲色散。
△圖4：表征1khz最大太赫茲信號的方法。(a) 改變泵脈沖持續時間的啁啾方法。(b)太赫茲能量和平均功率隨泵浦脈沖持續時間的變化特征。(c)在OAP2的焦點位置測量的太赫茲光束輪廓，其中太赫茲橢圓光束在其長軸上顯示出1.12mm的FWHM光斑，在其短軸上顯示出0.96mm的FWHM光斑。(d)歸一化太赫茲時域波形。(e)相應的功率譜，其中水平虛線表示平均噪聲底，并給出57dB的動態范圍
如圖4(b)所示，在1kHz重復頻率下，當泵浦脈沖寬度從800fs增加至1350fs時，太赫茲能量先增加后減少，并在1ps脈沖寬度附近達到最大值2.14μJ。這一現象源于脈沖寬度與相互作用長度、峰值功率之間的復雜平衡。因此，后續的高功率實驗均在1 ps的優化脈沖寬度下進行。
在優化了泵浦光斑和脈沖寬度后，研究團隊逐步提升激光器的重復頻率和功率。圖5(a)展示了在1kHz至100kHz共7個不同重復頻率下，太赫茲平均功率隨泵浦功率的變化。
△圖5：通過泵浦功率、能量和不同重復率的影響表征太赫茲源。(a)太赫茲平均功率作為重復頻率分別為1kHz、5kHz、10kHz、22kHz、33.3kHz、50kHz和100kHz時泵功率的函數。(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頻率下泵浦能量的函數關系。(d)太赫茲轉換效率與不同重復頻率下泵浦流量的關系
最終，在100kHz重復頻率、105W泵浦功率下，系統輸出了104mW的太赫茲平均功率，這是目前室溫無冷卻條件下的世界最高紀錄。當泵浦功率進一步提高時，由于光柵和高反鏡的損傷，輸出功率出現下降，這表明在光學元件的損傷閾值方面仍有提升空間。
得益于高平均功率，該太赫茲源展現出卓越的實用性。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處清晰觀測到了太赫茲的聚焦光斑。這一現象直觀證明了該太赫茲源具有足夠高的功率，極大簡化了光路對準和調試過程，為其在快速成像、無損檢測等需要實時可視化的應用中鋪平了道路。
該研究成功演示了一種基于工業級摻鐿飛秒激光器的高重復頻率、高平均功率強場太赫茲源。通過系統優化泵浦光斑尺寸和脈沖寬度，在室溫無任何冷卻的簡易條件下，實現了104mW平均功率的世界紀錄級輸出，同時該源功率之高足以用液晶片實現光斑可視化。這項工作極大地推動了強場太赫茲技術從復雜實驗室系統向實用化、工具化方向的轉變。隨著功率瓶頸的突破，太赫茲強源技術將在航空航天、無損檢測、生物醫療及科學研究等領域展現出巨大應用潛力，為材料科學、生物醫學和工業無損檢測等領域提供了強大的研究工具和廣闊的應用前景。
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