北航新闻网12月7日电（通讯员 项晓珍）近日，北航国新院吴晓君教授课题组在高平均功率、高重复频率、强场太赫兹光源研究中取得重大突破。课题组基于工业级掺镱飞秒激光器，采用倾斜波前泵浦铌酸锂晶体，在无任何冷却装置的室温环境下，成功实现了平均功率达104mW的太赫兹输出，创下该条件下世界最高纪录，同时转换效率接近0.1%。相关研究成果以100-mW high-average power strong-field terahertz source为题发表于Chinese Physics Letters期刊。北航国新院博士后徐奥杰为论文的第一作者，吴晓君教授为通讯作者，北航国新院为论文第一完成单位。
太赫兹波，位于微波与红外光之间的电磁波谱“空白地带”，曾因其难以高效产生和探测而被称为“太赫兹gap”。它兼具“分子指纹”识别能力与对非金属材料的穿透能力，被誉为检测领域的“火眼金睛”。然而，长期以来，微瓦级的低平均功率严重制约了太赫兹技术的实际应用，导致检测速度慢、信噪比低、综合成本高。
强场太赫兹源，通常指具备单脉冲能量>1μJ、峰值电场>100kV/cm、峰值磁场>1mT的太赫兹脉冲。这些独特的源能够支持超快自旋控制、太赫兹高次谐波产生等前沿物理研究。与此同时，为了满足更复杂的实验需求，下一代X射线光源（如欧洲XFEL）正在向更高重复频率发展，这也对其配套的太赫兹源提出了重复频率需≥100kHz的严苛要求。此外，太赫兹耦合角分辨光电子能谱（THz-ARPES）和扫描近场光学显微镜（THz-SNOM）等先进精密测量技术与商业应用，也迫切需要具有高平均功率的强场太赫兹源。
高平均功率如同为太赫兹“眼睛”装上“超亮探照灯”，能从根本上解决三大产业痛点：
提速增效：相较于传统1kHz钛宝石激光器泵浦的太赫兹源，本系统的太赫兹通量提升两个数量级，为强场太赫兹时域光谱的高速在线检测提供了核心技术支撑。
性能增强：高能量泵浦可有效激发更微弱的非线性物理现象；相较于传统kHz系统，本系统的高重复频率特性有助于显著提升信噪比。
国产化突破：整套系统的泵浦产生核心部分已基本实现国产化，具备工程化应用潜力。
为满足这些日益增长的需求，非线性晶体和泵浦技术的选择至关重要。铌酸锂晶体因其高非线性系数和高损伤阈值，成为高强度激光泵浦产生强场太赫兹的首选材料。其中，倾斜脉冲前泵浦（TPFP）技术通过精巧的相位匹配设计，使得在铌酸锂中实现百分比量级的能量转换效率成为可能。图1清晰地展示了基于铌酸锂光整流效应的太赫兹脉冲能量与激光重复频率的全球研究态势。
△图1：铌酸锂晶体光整流产生太赫兹脉冲的效能概览图（灰色区域：钛宝石激光泵浦；蓝色区域：掺镱激光泵浦）。对角线标示平均功率水平
在灰色区域所代表的钛宝石激光器泵浦方案中，要获得高的单脉冲太赫兹能量，就必须将重复频率降至1kHz以下。这导致了虽然脉冲能量高，但平均功率普遍偏低。吴晓君团队此前曾在该领域取得突破，在1Hz重复频率下实现了13.9mJ的太赫兹单脉冲能量，创下世界纪录，但其低重复率导致数据采集时间漫长，平均功率受限。在蓝色区域所代表的掺镱激光器泵浦方案中，研究趋势表明，太赫兹重复率与单脉冲能量之间存在明显的反比关系。要实现百毫瓦级平均功率同时保有足够的单脉冲能量，最可行的方案是使用重复频率在100kHz左右的掺镱激光器。
然而，商业化的掺镱激光器在提供高平均功率的同时，其单脉冲能量通常较低（<1mJ），且脉冲较长，这导致光学-太赫兹转换效率不高。通过缩小泵浦光斑来提高能量密度以提升效率，又会面临光场走离效应和晶体损伤的风险。更重要的是，在高重复频率下，高平均泵浦功率引入的热效应会导致转换效率进一步下降，甚至直接损坏晶体。因此，如何在室温环境下，利用工业级掺镱激光器实现高效率、高平均功率的太赫兹输出，并确保系统的稳定运行，已成为该领域亟待攻克的核心难题。
该工作通过采用国产高功率、长脉冲、工业级飞秒激光器（1030nm, 1ps, 2mJ, 100kHz, 杭州奥创光子）泵浦铌酸锂晶体，系统性地优化了泵浦激光脉冲光斑大小和激光脉冲宽度这两个关键参数，并优化了太赫兹的收集效率。在室温无冷却的条件下，实现了104mW的太赫兹平均功率输出，转换效率约0.1%，峰值电场达421kV/cm。该成果创下了室温无冷却条件下太赫兹平均功率的世界纪录。尤为突出的是，该强场太赫兹源功率之高，无需使用灵敏的THz相机，仅凭一块热敏液晶片即可清晰观察到太赫兹的聚焦光斑，直观地展示了其高功率特性，为强场太赫兹的应用提供了极其便利的条件。
△ 图2：高重复频率和平均功率太赫兹源的实验装置。L: 镜头。M: 800或1030nm高反射镜。HWP: 半波板。GM: 镀金镀膜镜。LN: 铌酸锂。OAP: 离轴抛物面镜。ITO: 氧化铟锡镀膜玻片(太赫兹反射率>99%)。QWP: 四分之一波片。WP: 沃拉斯顿棱镜。PD: 光电探测器。EOS: 电光采样
图2展示了高功率强场太赫兹光源的产生和探测实验装置示意图。泵浦激光来自一台工业级掺镱飞秒激光器，其重复频率在1Hz至100kHz间可调。采用反射光栅构建倾斜脉冲前沿，再通过一个4f成像系统将具有倾斜波前的泵浦光精确成像至5%氧化镁掺杂的铌酸锂棱镜晶体中。产生的太赫兹辐射由离轴抛物面镜收集和聚焦，并利用电光采样技术探测其时域波形。
研究团队首先系统研究了泵浦光斑尺寸对太赫兹产生效率的影响。通过组合使用不同放大率的望远镜系统（N=1或2）和4f成像系统（M=1.85或2），在晶体入口处获得了三种不同的泵浦光斑尺寸，如图3(a)-3(c)所示。
△图3：由(Gentec-EO：Beamage-4m)测量的激光参数为800 fs和100Hz时，三个不同泵浦光斑的太赫兹能量结果。(a-c) 三个不同的泵浦光斑进入铌酸锂晶体，望远镜参数分别为𝑁=2和𝑀=1.85，𝑁=2和𝑀=2，𝑁=1和𝑀=2。(d-f) 太赫兹能量作为对应于泵浦光斑(a-c)的不同泵浦通量的函数。误差条表示从泵流量曲线的十次测量中计算出的标准偏差
实验结果表明，在泵浦能量固定的情况下，较小的泵浦光斑能带来更高的泵浦能量密度，从而提升太赫兹产生效率。如图3(f)所示，在未使用前置扩束望远镜（N=1）且4f系统缩小率为2（M=2）时，获得了最高的单脉冲太赫兹能量2.95μJ，转换效率达0.20%。然而，考虑到高功率下晶体损伤的风险，最终选择了光斑尺寸较大、能量密度适中的配置（N=2, M=1.85）进行高平均功率实验，以在效率和安全性之间取得最佳平衡。
除了光斑尺寸，泵浦脉冲的持续时间也是影响转换效率的关键因素。通过调节激光器内光栅对的间距，可以连续调节泵浦脉冲的宽度。图3(a)展示了通过线性调节脉冲宽度引入的群延迟色散。
△图4：表征1khz最大太赫兹信号的方法。(a) 改变泵脉冲持续时间的啁啾方法。(b)太赫兹能量和平均功率随泵浦脉冲持续时间的变化特征。(c）在OAP2的焦点位置测量的太赫兹光束轮廓，其中太赫兹椭圆光束在其长轴上显示出1.12mm的FWHM光斑，在其短轴上显示出0.96mm的FWHM光斑。(d)归一化太赫兹时域波形。(e)相应的功率谱，其中水平虚线表示平均噪声底，并给出57dB的动态范围
如图4(b)所示，在1kHz重复频率下，当泵浦脉冲宽度从800fs增加至1350fs时，太赫兹能量先增加后减少，并在1ps脉冲宽度附近达到最大值2.14μJ。这一现象源于脉冲宽度与相互作用长度、峰值功率之间的复杂平衡。因此，后续的高功率实验均在1 ps的优化脉冲宽度下进行。
在优化了泵浦光斑和脉冲宽度后，研究团队逐步提升激光器的重复频率和功率。图5(a)展示了在1kHz至100kHz共7个不同重复频率下，太赫兹平均功率随泵浦功率的变化。
△图5：通过泵浦功率、能量和不同重复率的影响表征太赫兹源。(a)太赫兹平均功率作为重复频率分别为1kHz、5kHz、10kHz、22kHz、33.3kHz、50kHz和100kHz时泵功率的函数。(b)太赫兹功率为35mW的热敏液晶膜的太赫兹焦斑分布图。(c)太赫兹能量随不同重复频率下泵浦能量的函数关系。(d)太赫兹转换效率与不同重复频率下泵浦流量的关系
最终，在100kHz重复频率、105W泵浦功率下，系统输出了104mW的太赫兹平均功率，这是目前室温无冷却条件下的世界最高纪录。当泵浦功率进一步提高时，由于光栅和高反镜的损伤，输出功率出现下降，这表明在光学元件的损伤阈值方面仍有提升空间。
得益于高平均功率，该太赫兹源展现出卓越的实用性。如图5(b)所示，研究人员仅使用一块普通的热敏液晶片，就在离轴抛物镜的焦点处清晰观测到了太赫兹的聚焦光斑。这一现象直观证明了该太赫兹源具有足够高的功率，极大简化了光路对准和调试过程，为其在快速成像、无损检测等需要实时可视化的应用中铺平了道路。
该研究成功演示了一种基于工业级掺镱飞秒激光器的高重复频率、高平均功率强场太赫兹源。通过系统优化泵浦光斑尺寸和脉冲宽度，在室温无任何冷却的简易条件下，实现了104mW平均功率的世界纪录级输出，同时该源功率之高足以用液晶片实现光斑可视化。这项工作极大地推动了强场太赫兹技术从复杂实验室系统向实用化、工具化方向的转变。随着功率瓶颈的突破，太赫兹强源技术将在航空航天、无损检测、生物医疗及科学研究等领域展现出巨大应用潜力，为材料科学、生物医学和工业无损检测等领域提供了强大的研究工具和广阔的应用前景。
原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/42/12/120406?sessionid=
（审核：董卓宁）
编辑：贾爱平
