基於(yu) 激光的強場太赫茲(zi) （THz）脈衝(chong) 的是一種非常有用的工具，可以直接激發特定低頻模式以更好地理解各種材料的結構和電子動力學，比如可用於(yu) 太赫茲(zi) 角分辨光發射能譜和THz納米成像等。這些應用需要重複頻率在100kHz以上的高平均功率THz脈衝(chong) 光源。2020年，美國加速器國家實驗室[1]和德國耶拿的科學家[2]分別演示了基於(yu) 光整流和雙色場激光打氣體(ti) 靶的兩(liang) 種技術路線。

圖1 實驗裝置[1]

美國加速器國家實驗室主要工作是基於(yu) 多通腔壓縮的近千瓦級激光源利用光整流的方法來產(chan) 生高重頻高功率THz脈衝(chong) 。實驗裝置如圖1所示，振蕩器輸出脈衝(chong) 利用光纖放大器放大到6W，然後用Yb：YAG板條放大至1.39kW， 光斑縮束後入射到多通腔中進行光譜展寬，之後利用啁啾鏡產(chan) 生寬度為(wei) 70fs的脈衝(chong) ，平均功率約為(wei) 700W。其中99%的壓縮脈衝(chong) 作為(wei) 後續光整流的泵浦脈衝(chong) ，1%作為(wei) 探測脈衝(chong) 通過電光采樣測量產(chan) 生的THz脈衝(chong) 。泵浦脈衝(chong) 經過光柵實現波前傾(qing) 斜，再經過兩(liang) 個(ge) 焦距分別為(wei) 151mm和80mm的柱麵透鏡調節至正確的傾(qing) 角後入射到铌酸鋰晶體(ti) 中，產(chan) 生的THz脈衝(chong) 經過三個(ge) 離軸拋物鏡分別擴束、準直、聚焦到GaP中進行電光采樣來測量THz電場。

圖2 不同泵浦功率時的THz光譜[1]

不同泵浦功率下的THz光譜如圖2所示：由於(yu) 電光采樣測量時有一部分光路在空氣中，因此有水吸收導致的一些光譜吸收以及時域上脈衝(chong) 的振蕩，並且隨著泵浦功率增加，溫度升高，增加了铌酸鋰對高頻成分的吸收，導致THz光譜的高頻成分變弱。

圖3 輸出THz脈衝(chong) 功率和晶體(ti) 加持件溫度隨泵浦功率變化曲線[1]

圖3左縱坐標為(wei) 產(chan) 生的THz功率，右縱坐標軸為(wei) 晶體(ti) 支架的溫度，當泵浦功率增加至近400W時，THz脈衝(chong) 功率先增加，然後停滯，支架溫度也逐漸增加。受溫度限製，該套裝置產(chan) 生的THz最大功率為(wei) 144mW，對應脈衝(chong) 能量1.44uJ，對應能量轉換率為(wei) 0.042%，光子轉換效率為(wei) 19%。

圖4 基於(yu) 雙色場打氣體(ti) 靶產(chan) 生THz實驗裝置[2]

德國耶拿課題組則是利用雙色場激光打氣體(ti) 靶來產(chan) 生高重頻高功率THz脈衝(chong) [2]。實驗裝置如圖4所示，前端為(wei) 16通（僅(jin) 用其中2通）摻鐿CPA係統，重頻為(wei) 100kHz，脈衝(chong) 能量為(wei) 1.6mJ，脈寬為(wei) 230fs。然後利用透過率為(wei) 75%的充氣的空芯毛細管進行光譜展寬，再經過啁啾鏡壓縮至30fs後分為(wei) 兩(liang) 束，一束作為(wei) 電光采樣的探測光，另外一束經過BBO倍頻，倍頻光和基頻光聚焦到氣體(ti) 靶上，打出等離子體(ti) 的同時產(chan) 生THz，然後利用熱敏功率計測量其功率，利用電光采樣測量其時域電場。

圖5 不同氣體(ti) 靶產(chan) 生的THz電場、光譜、輸出功率和轉換效率[2]

在不同的氣體(ti) 靶下測量到THz脈衝(chong) 的時域電場以及反演後的光譜如圖5所示，不同氣體(ti) 靶下光譜形狀相近。在Ne氣體(ti) 靶中產(chan) 生的光譜最寬，得到了最高平均功率為(wei) 50mW的THz脈衝(chong) 。

以上高重頻高能量的THz光源有助於(yu) 發展下一代X射線自由電子激光器。

參考文獻：

[1] Patrick L. Kramer, Matthew K. R. Windeler, Katalin Mecseki, Elio G. Champenois, Matthias C. Hoffmann, and Franz Tavella, "Enabling high repetition rate nonlinear THz science with a kilowatt-class sub-100 fs laser source," Opt. Express 28, 16951-16967 (2020)

[2] Buldt, J., Mueller, M., Stark, H. et al. Fiber laser-driven gas plasma-based generation of THz radiation with 50-mW average power. Appl. Phys. B 126, 2 (2020).