圖1. (a)太赫茲產(chǎn)生和探測實驗裝置圖，(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(藍色)和相位(橙色)。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊在集成化高重頻太赫茲光源研究方面取得新進展。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)備復雜、應(yīng)用條件苛刻、造價高昂等缺點，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。

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(實驗裝置如圖1，實驗結(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)工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院基礎(chǔ)研究青年科學家項目、中國科學院上海分院-上海基礎(chǔ)研究試點項目等資助。

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(藍色實線)和吸收系數(shù)(黑色實線)，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)。

審核編輯 黃宇