超快非线性光学技术之四十 高重频高能量THz光源产生

基于激光的强场太赫兹（THz）脉冲的是一种非常有用的工具，可以直接激发特定低频模式以更好地理解各种材料的结构和电子动力学，比如可用于太赫兹角分辨光发射能谱和THz纳米成像等。这些应用需要重复频率在100kHz以上的高平均功率THz脉冲光源。2020年，美国加速器国家实验室[1]和德国耶拿的科学家[2]分别演示了基于光整流和双色场激光打气体靶的两种技术路线。

图1 实验装置[1]

美国加速器国家实验室主要工作是基于多通腔压缩的近千瓦级激光源利用光整流的方法来产生高重频高功率THz脉冲。实验装置如图1所示，振荡器输出脉冲利用光纤放大器放大到6W，然后用Yb：YAG板条放大至1.39kW， 光斑缩束后入射到多通腔中进行光谱展宽，之后利用啁啾镜产生宽度为70fs的脉冲，平均功率约为700W。其中99%的压缩脉冲作为后续光整流的泵浦脉冲，1%作为探测脉冲通过电光采样测量产生的THz脉冲。泵浦脉冲经过光栅实现波前倾斜，再经过两个焦距分别为151mm和80mm的柱面透镜调节至正确的倾角后入射到铌酸锂晶体中，产生的THz脉冲经过三个离轴抛物镜分别扩束、准直、聚焦到GaP中进行电光采样来测量THz电场。

图2 不同泵浦功率时的THz光谱[1]

不同泵浦功率下的THz光谱如图2所示：由于电光采样测量时有一部分光路在空气中，因此有水吸收导致的一些光谱吸收以及时域上脉冲的振荡，并且随着泵浦功率增加，温度升高，增加了铌酸锂对高频成分的吸收，导致THz光谱的高频成分变弱。

图3 输出THz脉冲功率和晶体加持件温度随泵浦功率变化曲线[1]

图3左纵坐标为产生的THz功率，右纵坐标轴为晶体支架的温度，当泵浦功率增加至近400W时，THz脉冲功率先增加，然后停滞，支架温度也逐渐增加。受温度限制，该套装置产生的THz最大功率为144mW，对应脉冲能量1.44uJ，对应能量转换率为0.042%，光子转换效率为19%。

图4 基于双色场打气体靶产生THz实验装置[2]

德国耶拿课题组则是利用双色场激光打气体靶来产生高重频高功率THz脉冲[2]。实验装置如图4所示，前端为16通（仅用其中2通）掺镱CPA系统，重频为100kHz，脉冲能量为1.6mJ，脉宽为230fs。然后利用透过率为75%的充气的空芯毛细管进行光谱展宽，再经过啁啾镜压缩至30fs后分为两束，一束作为电光采样的探测光，另外一束经过BBO倍频，倍频光和基频光聚焦到气体靶上，打出等离子体的同时产生THz，然后利用热敏功率计测量其功率，利用电光采样测量其时域电场。

图5 不同气体靶产生的THz电场、光谱、输出功率和转换效率[2]

在不同的气体靶下测量到THz脉冲的时域电场以及反演后的光谱如图5所示，不同气体靶下光谱形状相近。在Ne气体靶中产生的光谱最宽，得到了最高平均功率为50mW的THz脉冲。

以上高重频高能量的THz光源有助于发展下一代X射线自由电子激光器。

参考文献：

[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).

来自：刘洋 光波常

长三角Ｇ６０激光联盟陈长军转载