基于激光的強(qiáng)場太赫茲（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，美國加速器國家實(shí)驗(yàn)室[1]和德國耶拿的科學(xué)家[2]分別演示了基于光整流和雙色場激光打氣體靶的兩種技術(shù)路線。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置[1]

美國加速器國家實(shí)驗(yàn)室主要工作是基于多通腔壓縮的近千瓦級激光源利用光整流的方法來產(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%作為探測脈沖通過電光采樣測量產(chǎn)生的THz脈沖。泵浦脈沖經(jīng)過光柵實(shí)現(xiàn)波前傾斜，再經(jīng)過兩個(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)行電光采樣來測量THz電場。

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，對應(yīng)脈沖能量1.44uJ，對應(yīng)能量轉(zhuǎn)換率為0.042%，光子轉(zhuǎn)換效率為19%。

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

德國耶拿課題組則是利用雙色場激光打氣體靶來產(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。然后利用透過率為75%的充氣的空芯毛細(xì)管進(jìn)行光譜展寬，再經(jīng)過啁啾鏡壓縮至30fs后分為兩束，一束作為電光采樣的探測光，另外一束經(jīng)過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)測量其功率，利用電光采樣測量其時(shí)域電場。

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

在不同的氣體靶下測量到THz脈沖的時(shí)域電場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).