[来点idea_6]-中红外双色激光丝高效太赫兹产生的观测

撰稿人: 季晓迪

TITLE : 中红外双色激光丝高效太赫兹产生的观测

01 精要导读

太赫兹电磁场与物质的极端非线性相互作用是非线性光学的前沿研究热点。由于缺乏合适的强太赫兹源，在自由空间受到限制。本研究通过实验证明，在波长为3.9μm的飞秒中红外激光脉冲中，双色成丝可以产生能量为亚毫焦耳的超短亚周期太赫兹脉冲，太赫兹转换效率为2.36%，产生的太赫兹场振幅在100 MV cm⁻¹以上。通过数值模拟和优化实验装置，提高了观测太赫兹产率。最后，实验结果证明了产生的太赫兹脉冲足够强大，可以在电光晶体中诱导非线性交叉相位调制。该工作为使用价格合理的台式激光系统实现自由空间极端非线性太赫兹光学铺平了道路。

02 研究背景

太赫兹波在电磁波谱中是最有趣和探索较少的区域之一，位于微波和红外之间。在现有的太赫兹强度下，太赫兹辐射与物质的相互作用大多局限在线性光学领域，而自由空间的非线性光学在很大程度上是无法实现的。

目前，最强大的台式太赫兹光源一种是基于电光晶体中的光学整流，另一种是基于气体和液体中的双色灯丝。通过光学整流产生的太赫兹脉冲能量高达0.9 mJ，太赫兹转换效率(产生的太赫兹能量与输入激光脉冲能量的比率)高达3.7%。但是，电光晶体的光学损伤阈值阻止了太赫兹波能量和转换效率的提高。因此，发现产生强太赫兹波的太赫兹源仍然是研究工作的重点

03 原理方法

图1 实验设备

采用标准的双色(ω-2ω)激光激发方案，如图1。使用中红外激光源，基于混合OPA/ OPCPA系统，在20 Hz的重复频率下产生中心波长为3.9 μm的100 fs激光脉冲，最大脉冲能量为30 mJ。基频激光脉冲(ω)通过四分之一波片(QWP)，然后通过孔径为7 mm，100μm厚的I型硒化镓(GaSe)晶体，产生二次谐波脉冲(2ω)。然后，使用离轴抛物面反射镜(OPM1, 150 mm焦距)，将双色激光脉冲聚焦到周围空气中以产生等离子体通道。另一个抛物面反射镜(OPM2, 150 mm焦距)收集等离子体通道中产生的太赫兹辐射。为了将产生的太赫兹辐射从频谱的其余部分中分离出来，使用了空间滤波器和频率滤波器特别是从3.9 μm的基本脉冲的辐射中分离出来，其中心频率等于77 THz，接近感兴趣的太赫兹频率。

04 结果分析

随着输入激光能量的增加，太赫兹能量增加，对输入激光能量Win来说达到最大值0.185 mJ，等于8.12 mJ，如图2（a）所示。太赫兹转换效率最高可达2.36%，如图3（b）所示。根据实验可得，太赫兹转换效率比报道的0.8μm双色激光脉冲的典型值高出两个数量级以上。

图2太赫兹能量和太赫兹转换效率。（a）太赫兹能量WTHz与输入激光能量Win的关系；（b）太赫兹转换效率QTHz与输入激光能量Win的关系。

在晶体出口处，ω和2ω脉冲变为椭圆偏振，如图3（a）所示，ω和2ω场的偏振椭圆主轴分别旋转了135°和86°。在该条件下，实现了基频波束和次谐波波束在同一轴上极化的最大相互投影，这种配置最接近于ω和2ω场共线极化的情况，从而证明该条件是太赫兹产生的最佳选择。虽然基频脉冲和次谐波脉冲存在椭圆偏振，但实验表明，产生的太赫兹脉冲是线性极化的，偏振面在ω和2ω场的主偏振轴之间旋转了121°(见图3（b），圆点)。

图3激光和太赫兹脉冲的偏振。（a）实验中测量的基频脉冲(ω)和次谐波脉冲(2ω)的初始极化（点），模拟中用作输入（线）；（b）输入激光能量为8.75 mJ时，实验测量得到的太赫兹偏振(点)和仿真预测结果（线）。

电光采样对产生的太赫兹脉冲进行光谱表征，电光采样技术允许相干测量THz脉冲电场。图4（a）中的插入图显示了连续3次扫描测量到的太赫兹电场(蓝线)的平均值。红线表示使用迈克尔逊干涉仪连续5次扫描记录的太赫兹干涉信号(红线)的平均值。通过对太赫兹干涉信号进行傅里叶变换，被探测太赫兹场的功率谱，如图4（b）所示。

图4太赫兹场和频谱。（a）电光采样(图中蓝色)和迈克尔逊干涉仪(红色)测量的太赫兹信号。（b）通过上述技术获得的太赫兹功率谱(实线)以及每种技术的噪声水平(虚线)

在两种偏振状态下，输入能量等于8兆焦耳和0.8兆焦耳的二次谐波脉冲。在数值模拟中，不知道ω和2ω场之间的初始相位差φ。因此，为了找到太赫兹能量最大的情况，对不同初始ϕ值进行了参数化研究，如图5（a）和（b）。图5（c）显示了共线和椭圆偏振双色场的太赫兹能量和太赫兹转换效率与相位差φ的关系。对于共线场，产生的THz辐射的最大能量在ϕ=0处达到，对于椭圆偏振的ω和2ω场，在ϖ=0.8π处达到。

图5.数值模拟。（a）初始双色场与共线的基本和二次谐波脉冲。（b）初始双色场与椭圆极化的基本和二次谐波脉冲。（c）共线和椭圆极化ω和2ω场的太赫兹能量和太赫兹转换效率与初始相位差φ的关系。

当太赫兹和探测脉冲在时间上重叠时，探测脉冲的光谱会被强烈调制，如图6（a）所示。图6（b）显示了探测脉冲的频谱宽度(以频谱的频宽测量）和太赫兹脉冲之间的时间延迟。太赫兹场振幅与探测脉冲光谱宽度的变化之间存在明显的相关性。

探针脉冲的中心频率最初经历红移，然后让位给蓝移，都是约12 nm。这些位移与太赫兹场的一阶导数成正比(见图6c中的蓝线)，如图6（c）所示。

图6.太赫兹场诱导交叉相位调制。（a）探测波束的频谱作为太赫兹和探测脉冲之间的时间延迟的函数。（b）光谱宽度；（c）中心波长，分别与太赫兹场和太赫兹场的一阶导数(红线)，太赫兹和探测脉冲之间时间延迟的函数（蓝线）。

05 结论

该工作证明了从中红外双色激光丝中可以有效地产生高功率的太赫兹脉冲。实验中，获得了能量高达0.185 mJ的单周期太赫兹脉冲，太赫兹转换效率高达2.36%，太赫兹场振幅超过100 MV cm⁻¹。该工作的成果使得中红外双色细丝成为现有的基于等离子体的太赫兹源中最有效的太赫兹源。实验中证明了太赫兹转换效率比典型值高出两个数量级以上，可以从钛蓝宝石激光器的双色脉冲中获得。