【摘 要】
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强太赫兹源由于其较低的光子能量、高峰值场强、独特的频段等特点,在新奇物质性质探索、物性主动调控、带电粒子加速和操控等领域发挥着越来越重要的作用。而缺乏稳定的强太赫兹源却阻碍了太赫兹科学的进一步发展。在基于不同原理的多种太赫兹源中,基于铌酸锂倾斜波前技术的太赫兹源由于其高效率、高光束质量、高稳定性等特性已成为众多研究强太赫兹与物质相互作用团队的首选,并且这种源有潜力产生毫焦耳级甚至更大的脉冲能量。在
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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强太赫兹源由于其较低的光子能量、高峰值场强、独特的频段等特点,在新奇物质性质探索、物性主动调控、带电粒子加速和操控等领域发挥着越来越重要的作用。而缺乏稳定的强太赫兹源却阻碍了太赫兹科学的进一步发展。在基于不同原理的多种太赫兹源中,基于铌酸锂倾斜波前技术的太赫兹源由于其高效率、高光束质量、高稳定性等特性已成为众多研究强太赫兹与物质相互作用团队的首选,并且这种源有潜力产生毫焦耳级甚至更大的脉冲能量。在高能激光泵浦铌酸锂的过程中,限制能量转化效率的主要因素包括高泵浦通量引起的晶体损伤以及多光子吸收、材料晶格吸收、非线性失真效应等。这些因素将使得晶体内部泵浦激光产生太赫兹辐射的有效作用距离严重缩短,使得太赫兹辐射效率降低,阻碍了强场太赫兹辐射能量的进一步提升和太赫兹应用实验的开展。本文针对飞秒激光泵浦铌酸锂产生太赫兹辐射效率饱和瓶颈,开展了倾斜波前技术产生毫焦耳级超强太赫兹辐射的实验研究,实验获得了国际上首个单脉冲能量大于1 m J的铌酸锂强太赫兹源。不仅如此,针对多周期太赫兹脉冲高效率产生和调控的难题,提出了采用阶梯镜结合倾斜波前技术对泵浦激光脉冲的调控方式,实现了高效率的频率可调谐的多周期强场太赫兹辐射。获得的研究成果和创新点简述如下:1、1.4 m J铌酸锂强太赫兹辐射源。采用中国科学院物理研究所20 TW商用钛宝石激光器泵浦大尺寸铌酸锂晶体,通过扩大泵浦光光斑、优化泵浦光光谱和脉冲啁啾、冷却铌酸锂晶体等协同补偿机制,克服了30 fs超短激光脉冲引起的本征有效作用距离短导致的辐射效率低的难题,大幅提高了800 nm到太赫兹辐射的能量转化效率。最终在214 m J泵浦激光能量作用下,成功实现了单脉冲1.4 m J,能量转化效率0.7%的强场太赫兹脉冲输出。这是目前为止,基于光整流技术的太赫兹源最高脉冲能量。通过单发诊断技术对辐射的太赫兹时域波形进行了表征,获得太赫兹脉冲宽度约1 ps,峰值频率0.4 THz,频谱宽度0.1-2.0 THz,计算得到聚焦光斑处的峰值电场为6.3 MV/cm,峰值磁场为2.1 Tesla。这种超强太赫兹源的低频率和高场强等特性非常适合开展面向桌面式X射线源的电子加速与操控、极端太赫兹非线性科学和太赫兹生物学效应的应用研究。2、多周期铌酸锂强场太赫兹辐射。针对现有的多周期窄带强场太赫兹源产生效率低、可调谐性能差等方面存在的难点,本论文提出了通过将倾斜波前技术与阶梯镜脉冲串制备技术结合的新方案,在2.6 m J高重频飞秒激光泵浦能量下,实现了单脉冲能量为2.4μJ的多周期太赫兹脉冲输出,周期数约为15个,峰值频率为0.76 THz,频谱的半高宽为0.1 THz,产生效率约为0.1%。采用这种新方法后,多周期强场太赫兹辐射脉冲的周期数和频谱带宽均可灵活调控,且辐射效率理论上可与单周期铌酸锂倾斜波前技术相当。此方案拥有操作简单、可调谐性好、能量转换效率高等优点,有望应用于基于介质管的太赫兹电子加速与操控、凝聚态体系非平衡物态调控等应用场景中。
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