近日，韩国光州科学技术院Chul Kang课题组与美国马里兰大学Ki-Yong Kim课题组合作，通过15THz的相位匹配光学整流，从大面积平面铌酸锂晶片中产生了高能量、高强度的THz波。研究团队通过能量、光束轮廓、脉冲维持的时间等方面对生成的THz波进行了表征。对铌酸锂中THz波的产生进行了数值模拟，以准确再现THz脉冲形状和光谱。研究人员还通过将高功率的THz波聚焦到固体材料中，通过实验展示了THz诱导的电离。该成果以“Ionizing terahertz waves with 260 MV/cm from scalable optical rectification”为题发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。
近期，在太赫兹（THz）领域的科研进展推动了对强THz场中的新奇现象的研究，诸如Thz驱动的非线性光谱学、相变、半导体的冲击电离等。由于这些应用都需要强THz源，为此，研究人员开发了多种方法来产生高能量、高强度的THz辐射，包括非线性晶体中的超快激光脉冲的差频产生（DFG）、光学整流（OR）、气体中的两色激光混合等。其中一些源已经产生超过100 MV/cm的THz电场强度，如图1所示。
由于具有非线性和高损伤阈值，铌酸锂（LN）中的光学整流被大范围的应用于产生高能THz辐射。通常，人们采用倾斜脉冲前沿方案来实现铌酸锂棱镜形状中的相位匹配。在该方案中，生成的THz波以与铌酸锂内倾斜的激光脉冲前沿相同的速度传播，使得THz能量可以随着传播距离持续增长。然而，从铌酸锂棱镜产生的辐射频率大多在0.5THz以下，导致了较大的焦点尺寸，因此峰值THz场强最多只能达到7.5MV/cm。
最近，研究人员在铌酸锂中发现了一种新的相位匹配条件，不需要任何脉冲前沿倾斜。由于THz波的速度通常是与频率有关的，并且在两个声子共振频率之间变化很大，以至于存在一个频率，在该频率下THz波和驱动光学整流的激光脉冲以相同的速度传播。对于800-nm的光学脉冲，这样的一种情况发生在15THz左右。
实验装置示意图如图2所示，在该实验中，研究人员使用150-TW的钛宝石激光器，波长为807nm，半高全宽为60nm。激光脉冲经过脉冲压缩器后，通过一系列真空管道导向实验用的真空室，以避免空气引起的自身非线性效应。在真空室中，光束通过一个虹膜光阑，入射到一个铌酸锂晶片上，通过光学整流产生THz波。
从铌酸锂晶片中产生的THz能量是通过热释电探测器测量的，如图3所示。图3a和图3b分别绘制了掺杂氧化镁和未掺杂氧化镁的铌酸锂晶片产生的输出THz能量，作为入射激光脉冲的群延迟色散的函数。在群延迟色散接近零时，输出THz能量达到峰值，表明在固定的激光能量下，更短的激光脉冲产生更多的THz能量。
图3c和图3d展示了对于掺杂氧化镁和未掺杂氧化镁的三种厚度的铌酸锂晶片，输出THz能量随激光能量增加的情况。由于光整流是基于二阶非线性效应，输出THz能量应当与输入激光能量呈二次方关系。实验中，在相对低激光功率下观察到了这种二次方依赖关系。但随着激光功率的增加，这种依赖关系逐渐偏离。这主要是由于三激光光子吸收和铌酸锂中的级联效应所导致的。
为进行空间特性表征，生成的THz波通过离轴抛物面反射镜（OAP）聚焦到一个微测辐射热计相机上。图4a展示了沿传播方向以1mm 的增量距离捕获的THz波束轮廓的演变，随这相机位置接近焦点，波束直径几乎线性减小，同时保持圆形形状。图4b展示了焦点处的THz波束轮廓，水平和垂直的轮廓线可通过高斯曲线c所示。
图5a展示了铝目标的照片和通过电荷耦合器件（CCD）相机捕获的等离子体荧光闪光。图5b展示了暴露在强THz脉冲下的黑色铝箔及其结果产生的等离子体发射。图5c展示了一个锑化铟晶片及其等离子体发射。在这些样品中，聚焦的THz场足够高，能够最终靠遂穿离子化使目标离子化，并在目标表面产生等离子体。而一个聚合物（PET）薄膜暴露在焦点处的强THz下，将导致不可逆的损伤，如图5d所示，显示了暴露后在PET薄膜上钻出的清晰的孔洞。图5e和图5f展示了在5次连续的THz辐射后，砷化镓和锑化铟晶片表面产生的THz诱导损伤。
研究人员使用150-TW的钛宝石激光器，在铌酸锂中通过大面积的光整流技术产生和表征了近260 MV/cm的THz场。通过测试不同厚度的铌酸锂晶片，发现最薄的铌酸锂晶片由于THz的线性吸收和铌酸锂中的级联效应，产生了最大的THz能量。
此外，该场强仍有逐渐增强的空间。通过铌酸锂晶片的低温冷却、使用更有效的THz解耦器、焦距更小的OAP镜，以及更大的平面铌酸锂晶片等，能够在一定程度上帮助在焦点处产生更强的THz场强。这种强度的THz场不但可以用于等离子体中非线性效应的研究，还可通过THz场驱动的有质动力（ponderomotive forces）实现各种应用，包括THz辅助的谐波和阿秒脉冲在光学范围内的产生、多-keV THz谐波的产生，还可以通过THz加速的电子研究相对论效应。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
特别声明：本文转载只是出于传递信息的需要，并不代表代表本网站观点或证实其内容的真实性；如别的媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者若不希望被转载或者可以联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
染料敏化光活性胶体球的透镜效应助力多晶态活性自组装和光诱导可变光学效应
更多
美国Tech Science Press 11种期刊全文上线SciOpen平台
