超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報

(第六百零一期)

2025年1月24日

上海光機(jī)所在集成化高重頻太赫茲光源研究方面取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在集成化高重頻太赫茲光源研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)的研究成果以 “Collinear terahertz generation from LiNbO₃ wafer driven by an ultrafast Yb-laser” 為題發(fā)表在IEEE Photonics Journal。

太赫茲波是波長介于微波和紅外光之間的電磁輻射，在生物成像、高速通信、基礎(chǔ)科學(xué)研究等方面具有重要價值。傳統(tǒng)的太赫茲產(chǎn)生方案一般具有設(shè)備復(fù)雜、應(yīng)用條件苛刻、造價高昂等缺點(diǎn)，集成化高重頻太赫茲光源的發(fā)展將大大推動其在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來超快Yb激光技術(shù)的快速進(jìn)步和應(yīng)用普及為集成化高重頻太赫茲光源的發(fā)展帶來契機(jī)。

研究人員以固體Yb激光驅(qū)動，利用飛秒激光脈沖共線泵浦鈮酸鋰晶體薄片，實(shí)現(xiàn)集成化、高重頻、寬帶太赫茲輻射，能量轉(zhuǎn)化效率約0.02 %，頻譜覆蓋0.1-6 THz，重頻10 kHz（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2）。通過系統(tǒng)研究晶體光整流產(chǎn)生太赫茲脈沖的相位匹配條件及相干長度與產(chǎn)生頻率和泵浦波長的依賴關(guān)系，獲得了最佳晶體厚度及匹配帶寬（如圖3）。這一研究證實(shí)了超快Yb激光共線泵浦鈮酸鋰（Lithium Niobate，LiNbO₃）薄片在產(chǎn)生高重頻太赫茲波方面的巨大潛力，為太赫茲物質(zhì)檢測、太赫茲成像及物態(tài)調(diào)控研究等應(yīng)用提供了集成化驅(qū)動光源。

相關(guān)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國科學(xué)院上海分院-上海基礎(chǔ)研究試點(diǎn)項(xiàng)目等資助。

原文鏈接

圖1. (a)太赫茲產(chǎn)生和探測實(shí)驗(yàn)裝置圖，(b)展寬前（青色）和展寬后（品紅色）的激光光譜，(c)壓縮后激光脈沖寬度（藍(lán)色）和相位（橙色）。

圖2. (a)不同厚度的鈮酸鋰薄片產(chǎn)生的太赫茲時域波形和(b)對應(yīng)的頻譜

圖3. LiNbO₃晶體的光學(xué)特性 (a)相干長度與產(chǎn)生太赫茲頻率和泵浦波長的依賴關(guān)系，白色虛線代表泵浦波長為1030 nm，(b)泵浦波長為1030 nm時，不同太赫茲頻率對應(yīng)的相干長度，插圖表示0-6 THz的相干長度，(c)太赫茲波段的折射率（藍(lán)色實(shí)線）和吸收系數(shù)（黑色實(shí)線），青色虛線表示在1030 nm處的光群折射率，(d)LiNbO₃晶體在太赫茲波段的非線性系數(shù)。