上海光機(jī)所在基于Yb激光的新型太赫茲源研究中取得進(jìn)展

近日，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于Yb激光泵浦有機(jī)晶體產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以 “Efficient strong-field THz generation from DSTMS crystal pumped by 1030nm Yb-laser” 為題發(fā)表在Applied Physics Letters上。

相比于ZnTe、LiNbO3等無機(jī)晶體，DAST、DSTMS等有機(jī)晶體在太赫茲頻段具有更高的非線性系數(shù)和更低的吸收系數(shù)。在之前的研究中，一般采用波長(zhǎng)1200至1700nm的紅外超短脈沖激光泵浦有機(jī)晶體，以實(shí)現(xiàn)更好的相位匹配，獲得更高的太赫茲轉(zhuǎn)化效率。然而，獲得這一波段的高能量超短激光脈沖需要利用OP(CP)A等技術(shù)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，這不但大大降低了能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且提高了設(shè)備成本和復(fù)雜度。近年來，超快Yb激光因其在低成本、高功率、小型化等方面的優(yōu)勢(shì)受到科研界和工業(yè)界的重視。以Yb激光直接驅(qū)動(dòng)晶體產(chǎn)生太赫茲波，為集成化太赫茲源的開發(fā)提供了思路，也為相關(guān)科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展帶來契機(jī)。

本研究闡述了超短脈沖激光泵浦有機(jī)晶體光整流產(chǎn)生太赫茲波的相位匹配條件，并分析了太赫茲頻率、相干長(zhǎng)度等與泵浦激光的依賴關(guān)系。研究團(tuán)隊(duì)利用Yb激光泵浦有機(jī)晶體DSTMS產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)太赫茲。通過設(shè)計(jì)太赫茲波段相位匹配，優(yōu)化泵浦激光脈沖寬度和功率密度等條件，獲得單脈沖能量0.4 μJ，峰值場(chǎng)強(qiáng)236 kV/cm的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波，頻譜覆蓋0.1-6 THz，激光-太赫茲波能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.22%。以上相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Yb激光泵浦有機(jī)晶體產(chǎn)生毫瓦級(jí)高功率強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波的可行性，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用推廣提供一種新型的集成化太赫茲光源方案。

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圖1. 強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波的產(chǎn)生和表征 (a)實(shí)驗(yàn)光路；(b)太赫茲時(shí)域波形和頻譜（插圖為太赫茲焦斑）。

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圖2. 激光-太赫茲波相位匹配 (a)DSTMS晶體在紅外波段和太赫茲波段的折射率；(b)太赫茲頻率、相干長(zhǎng)度等與泵浦激光波長(zhǎng)的依賴關(guān)系；(c)泵浦激光波長(zhǎng)為1030 nm時(shí)的太赫茲相干長(zhǎng)度；(d)DSTMS晶體在紅外和太赫茲波段的吸收特性。

相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院儀器設(shè)備研制項(xiàng)目等支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0190109