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基于激光的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲（THz）脈沖的是一種非常有用的工具，可以直接激發(fā)特定低頻模式以更好地理解各種材料的結(jié)構(gòu)和電子動(dòng)力學(xué)，比如可用于太赫茲角分辨光發(fā)射能譜和THz納米成像等。這些應(yīng)用需要重復(fù)頻率在100kHz以上的高平均功率THz脈沖光源。2020年，美國(guó)加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[1]和德國(guó)耶拿的科學(xué)家[2]分別演示了基于光整流和雙色場(chǎng)激光打氣體靶的兩種技術(shù)路線。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置[1]

美國(guó)加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主要工作是基于多通腔壓縮的近千瓦級(jí)激光源利用光整流的方法來(lái)產(chǎn)生高重頻高功率THz脈沖。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，振蕩器輸出脈沖利用光纖放大器放大到6W，然后用Yb：YAG板條放大至1.39kW， 光斑縮束后入射到多通腔中進(jìn)行光譜展寬，之后利用啁啾鏡產(chǎn)生寬度為70fs的脈沖，平均功率約為700W。其中99%的壓縮脈沖作為后續(xù)光整流的泵浦脈沖，1%作為探測(cè)脈沖通過(guò)電光采樣測(cè)量產(chǎn)生的THz脈沖。泵浦脈沖經(jīng)過(guò)光柵實(shí)現(xiàn)波前傾斜，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)焦距分別為151mm和80mm的柱面透鏡調(diào)節(jié)至正確的傾角后入射到鈮酸鋰晶體中，產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)過(guò)三個(gè)離軸拋物鏡分別擴(kuò)束、準(zhǔn)直、聚焦到GaP中進(jìn)行電光采樣來(lái)測(cè)量THz電場(chǎng)。

圖2 不同泵浦功率時(shí)的THz光譜[1]

不同泵浦功率下的THz光譜如圖2所示：由于電光采樣測(cè)量時(shí)有一部分光路在空氣中，因此有水吸收導(dǎo)致的一些光譜吸收以及時(shí)域上脈沖的振蕩，并且隨著泵浦功率增加，溫度升高，增加了鈮酸鋰對(duì)高頻成分的吸收，導(dǎo)致THz光譜的高頻成分變?nèi)酢?/p>

圖3 輸出THz脈沖功率和晶體加持件溫度隨泵浦功率變化曲線[1]

圖3左縱坐標(biāo)為產(chǎn)生的THz功率，右縱坐標(biāo)軸為晶體支架的溫度，當(dāng)泵浦功率增加至近400W時(shí)，THz脈沖功率先增加，然后停滯，支架溫度也逐漸增加。受溫度限制，該套裝置產(chǎn)生的THz最大功率為144mW，對(duì)應(yīng)脈沖能量1.44uJ，對(duì)應(yīng)能量轉(zhuǎn)換率為0.042%，光子轉(zhuǎn)換效率為19%。

圖4 基于雙色場(chǎng)打氣體靶產(chǎn)生THz實(shí)驗(yàn)裝置[2]

德國(guó)耶拿課題組則是利用雙色場(chǎng)激光打氣體靶來(lái)產(chǎn)生高重頻高功率THz脈沖[2]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，前端為16通（僅用其中2通）摻鐿CPA系統(tǒng)，重頻為100kHz，脈沖能量為1.6mJ，脈寬為230fs。然后利用透過(guò)率為75%的充氣的空芯毛細(xì)管進(jìn)行光譜展寬，再經(jīng)過(guò)啁啾鏡壓縮至30fs后分為兩束，一束作為電光采樣的探測(cè)光，另外一束經(jīng)過(guò)BBO倍頻，倍頻光和基頻光聚焦到氣體靶上，打出等離子體的同時(shí)產(chǎn)生THz，然后利用熱敏功率計(jì)測(cè)量其功率，利用電光采樣測(cè)量其時(shí)域電場(chǎng)。

圖5 不同氣體靶產(chǎn)生的THz電場(chǎng)、光譜、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率[2]

在不同的氣體靶下測(cè)量到THz脈沖的時(shí)域電場(chǎng)以及反演后的光譜如圖5所示，不同氣體靶下光譜形狀相近。在Ne氣體靶中產(chǎn)生的光譜最寬，得到了最高平均功率為50mW的THz脈沖。

以上高重頻高能量的THz光源有助于發(fā)展下一代X射線自由電子激光器。

參考文獻(xiàn)：

[1] Patrick L. Kramer, Matthew K. R. Windeler, Katalin Mecseki, Elio G. Champenois, Matthias C. Hoffmann, and Franz Tavella, "Enabling high repetition rate nonlinear THz science with a kilowatt-class sub-100 fs laser source," Opt. Express 28, 16951-16967 (2020)

[2] Buldt, J., Mueller, M., Stark, H. et al. Fiber laser-driven gas plasma-based generation of THz radiation with 50-mW average power. Appl. Phys. B 126, 2 (2020).