Laser & Photonics Reviews:基于铌酸锂倾斜波前技术的1.4 mJ高能强场太赫兹光源

太赫兹科学是当代前沿研究的热点,太赫兹技术在航空航天、通信雷达、国防安全、材料科学、生物医疗等领域具有重要应用前景。超强太赫兹源的缺乏是制约太赫兹科学技术发展的关键,当源的单脉冲能量提高到毫焦耳以上、峰值功率超过吉瓦、场强远高于兆伏/厘米时,太赫兹电磁波与物质强相互作用效应显著增强,可在物理、化学、材料、生物、国防、天文、加速器等领域开辟一系列前瞻性方向,形成太赫兹科学技术族群。利用飞秒激光泵浦材料产生高能强场太赫兹电磁波的方法有很多,其中铌酸锂晶体倾斜波前技术是最有效的途径之一。然而,当泵浦激光能量变强后,晶体容易损伤,晶体内部产生太赫兹波的有效作用距离变短,能量转化效率易饱和,辐射出来的太赫兹能量难收集等问题成了提升太赫兹能量到毫焦量级的关键挑战。

北京航空航天大学吴晓君课题组与中科院物理所李玉同课题组合作通过铌酸锂倾斜波前方法研制出国际首个单脉冲能量超过1 mJ的全固态自由空间超强太赫兹光源,有望在桌面式全光太赫兹电子加速器、极端太赫兹科学与非线性应用、强场太赫兹生物学效应等方面发挥重要作用。

针对上述强场太赫兹产生过程中的科学问题和技术难点,合作团队通过深入研究铌酸锂倾斜波前技术原理,发现了效率饱和的物理本质,并在实验上通过精确调控泵浦激光的啁啾情况和频谱分布,重塑泵浦激光光斑形状和能量分布,对铌酸锂晶体降温等方法,全面提升晶体内部泵浦激光能量转化为太赫兹能量的有效作用距离。通过对上述效率提升方法的全局优化,获得单脉冲能量1.4 mJ, 峰值电场6.3 MV/cm,峰值磁场2.1 Tesla,能量转化效率0.7%的国际领先超强太赫兹光源,多项指标为该方法国际报道最高值。相关结果发表在Laser & Photonics Reviews 2021, 2000295(DOI: 10.1002/lpor.202000295)上。