太赫茲(THz)科學是世界科學前沿研究熱點，THz技術(shù)在航空航天、****、通信雷達、量子信息、生物醫(yī)療等領(lǐng)域已展現(xiàn)出重要的應用價值。目前，THz科學與技術(shù)正與物理、化學、材料、生物、**、天文、加速器等領(lǐng)域形成學科大交叉、技術(shù)大融合、應用大突破的發(fā)展態(tài)勢，是世界科技大國競爭的戰(zhàn)略制高點。然而，THz頻段處于電磁波譜微波與紅外交界處，THz理論處于經(jīng)典與量子交匯點，THz技術(shù)處于電子學與光子學拓展區(qū)，THz應用卻極大受限于強源、核心器件和系統(tǒng)技術(shù)的嚴重匱乏。其中，強源的缺乏成了關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

　　產(chǎn)生THz輻射的方法很多，但做強卻很難。以光學方法產(chǎn)生的THz輻射雖然已在材料表征、器件測試、無損檢測等方面開展了一些研究和應用工作，但弱場THz光源的輻射效率低，能量小，直接導致THz與物質(zhì)相互作用的非線性效應、新奇量子物態(tài)調(diào)控、電子加速與生物醫(yī)療應用等方面的前沿科學與應用研究受到制約。為滿足實際應用，強場THz光源需具有高效率、高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性的“三高”特質(zhì)。鈮酸鋰晶體具備非線性系數(shù)大、晶體尺寸大、破壞閾值高、固態(tài)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，非常適合超短激光產(chǎn)生“三高”THz強源并開展強場應用(圖1)。

　　圖1 飛秒激光泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生的強場THz光源及其應用

　　二、鈮酸鋰THz強源理論及實驗

　　1、鈮酸鋰THz強源發(fā)展歷程

　　脈沖激光泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生THz輻射要追溯到1971年。隨著激光器的發(fā)明以及脈沖激光的實現(xiàn)，采用脈沖激光泵浦鈮酸鋰晶片獲得了一個THz脈沖。但是，在后續(xù)近三十年的時間里，鈮酸鋰并未作為THz輻射材料而受到青睞，直到2002年傾斜波前技術(shù)的提出才打破僵局。盡管如此，將微焦量級的單脈沖能量提升到毫焦耳量級也用了近二十年的時間。圖2展示了鈮酸鋰THz強源的歷史沿革，以每5年為間隔，共分為五步發(fā)展：傾斜波前起源(1971-2002)、原理驗證與實驗發(fā)展(2003-2007)、能量轉(zhuǎn)化效率提升(2008-2013)、毫焦量級THz輸出(2014-2019)、THz能量效率突破(2000至今)。該圖詮釋了鈮酸鋰THz輻射源半個世紀的發(fā)展脈絡(luò)，揭示了THz強源技術(shù)的困難。

　　圖2 基于鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)產(chǎn)生強場THz脈沖的階段性發(fā)展示意圖

　　2、鈮酸鋰傾斜波前原理模型

　　近年來，不僅鈮酸鋰THz強源實驗技術(shù)得到了快速發(fā)展，在理論方面也有非常重要的進步。采用鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)產(chǎn)生THz的過程需要考慮到兩個不同頻段的波(THz波和泵浦激光)之間的相互作用以及各種線性和非線性過程，理論和模型都很復雜。傾斜波前理論經(jīng)歷了四代模型的演變。第一代的簡單1D模型用于預測THz產(chǎn)生波形，第二代基于線型源解析解與卷積可得到2D的THz脈沖波形。第三代則聚焦在對波函數(shù)的嚴格解從而得到更準確的THz波形和能量。第四代基于傳播方向上的緩變包絡(luò)近似并考慮級聯(lián)效應等重要物理過程，使得理論預測可以更準確地解釋實驗現(xiàn)象。飛秒激光泵浦鈮酸鋰晶體產(chǎn)生強場THz輻射的物理機理十分復雜，影響THz產(chǎn)生效率主要有六大因素，如圖3所示。

　　圖3 影響THz產(chǎn)生效率的關(guān)鍵因素

　　3、鈮酸鋰單周期THz強源

　　在實際實驗中，通過飛秒激光泵浦鈮酸鋰晶體產(chǎn)生單周期強場THz輻射的代表性光路如圖4所示。傾斜波前裝置主要包含泵浦激光器、用于波前傾斜的元件、成像系統(tǒng)、鈮酸鋰晶體、THz診斷方法等。飛秒激光脈沖經(jīng)過兩個平面反射鏡后再經(jīng)光柵的負一階衍射，經(jīng)過半波片和兩個柱透鏡成像于鈮酸鋰晶體，輻射出THz脈沖。產(chǎn)生的THz脈沖由熱電探測器檢測，THz的光斑質(zhì)量通過THz相機進行表征，利用一條延遲線、一對光柵架、格蘭棱鏡和光譜儀組成單發(fā)診斷探測輻射的時域波形圖。在實際實驗中，要想獲得毫焦耳級甚至更高能量的THz輸出，需要綜合考慮圖3中每個因素，且需要在圖4中將每個優(yōu)化參數(shù)都做到最好，才能實現(xiàn)。

　　圖4 基于飛秒激光泵浦鈮酸鋰晶體產(chǎn)生單周期強場THz輻射的典型光路圖

　　4、鈮酸鋰多周期THz強源

　　多周期強場TH有窄帶頻譜以及高效率的波導耦合等特點非常適用于電子加速和有選擇性的物態(tài)調(diào)控應用等。結(jié)合鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)，與多種方法耦合，也可高效率產(chǎn)生多周期強場THz輻射。

　　如圖5所示，基于鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)的多周期強場THz產(chǎn)生方法可分為：(1)啁啾和延遲(chirp and delay)技術(shù);(2)邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生脈沖串技術(shù);(3)echelon階梯鏡方法;(4)周期性極化鈮酸鋰(PPLN)。無論是產(chǎn)生單周期強場THz還是多周期強場THz，主要手段都是基于鈮酸鋰的光整流方法，因此，鈮酸鋰晶體材料質(zhì)量對高效率THz輻射的產(chǎn)生起著決定性作用。

　　圖5 基于傾斜波前裝置和PPLN產(chǎn)生多周期強場THz示意圖

　　三、鈮酸鋰強場THz應用

　　1、強場THz物態(tài)調(diào)控

　　強場太赫茲電場分量，在非微擾范疇可調(diào)控電子軌道特性;磁場分量可以調(diào)控電子自旋及非平衡態(tài)磁結(jié)構(gòu);通過非線性聲子效應，可以調(diào)控遠離平衡態(tài)的電子結(jié)構(gòu)量子特性。因此，在國際上，利用強場太赫茲已經(jīng)在拓撲絕緣體能帶調(diào)控、鈦酸鍶量子材料結(jié)構(gòu)相變、二維材料層間耦合、磁渦旋、磁子與聲子耦合等方面，觀察到了許多遠離平衡態(tài)的新奇量子物態(tài)調(diào)控現(xiàn)象。圖6為強場THz對電子、自旋、晶格(聲子)、磁子等的相互作用基本過程示意圖。

　　圖6 強場THz對電子、自旋、分子振轉(zhuǎn)、磁子相互作用的基本過程示意圖

　　2、強場THz電子加速與操控

　　THz驅(qū)動的電子加速器不僅能夠提高加速結(jié)構(gòu)擊穿閾值，產(chǎn)生較大的加速梯度，同時能夠適用于具有大電量電荷的電子束加速。與其他新型加速結(jié)構(gòu)相比，THz電子加速可同時滿足穩(wěn)定性高、電荷容量大、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點。圖7為強場THz電子加速與操控及其應用示意圖。

　　該方面的研究大多基于鈮酸鋰強場THz光源，要想真正實現(xiàn)THz電子加速器，還需要更高能量的THz脈沖，以更高的加速梯度實現(xiàn)對電子的加速與操控，才能獲得更加緊湊、更高加速梯度的電子加速器，在超快電子衍射和超快X射線光譜與成像應用中發(fā)揮重要作用。

　　圖7 強場THz電子加速與操控及其應用的示意圖

　　3、強場THz生物學效應

　　隨著THz源的發(fā)展和THz場強不斷提升，越來越多的科研工作者投身于強場THz與生物組織的相互作用。圖8是強場THz和不同尺度的生物組織相互作用的總結(jié)概念圖。

　　現(xiàn)有研究表明，強場THz共振會使DNA堿基對斷裂，促進DNA實現(xiàn)解纏繞，還會導致蛋白質(zhì)變性，二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。利用強場THz輻照細胞，細胞膜通透性會發(fā)生改變，進而加速離子膜間的運動。隨著強場THz源性能的進一步提高，未來有望將THz頻段應用在人類疾病的干預和治療中。

　　圖8 強場THz在不同尺度下生物學效應的示意圖

　　四、北航強場THz源與應用

　　吳曉君教授自2013年開始研究鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)，2013到2017年作為洪堡學者在德國DESY的Franz X. Kaertner 教授團隊工作，期間為實現(xiàn)臺全光驅(qū)動的THz電子加速器，從鈮酸鋰傾斜波前理論和實驗兩個方面開展了系統(tǒng)的研究工作：從輻射機理、飽和效應、耦合輸出的科學難題和技術(shù)挑戰(zhàn)出發(fā)，成功地將超短激光泵浦鈮酸鋰晶體產(chǎn)生THz輻射的單脈沖能量從微焦量級提升到了亞毫焦量級(0.13 mJ)。相關(guān)研究工作發(fā)表在[Opt. Lett. 39. 5403 (2014)]、[Opt. Express 23. 29729 (2015)]、[Opt. Express 24. 21059 (2016)]等期刊上，在該研究方向上積累了扎實的研究基礎(chǔ)。 2017年回國后加入北京航空航天大學電子信息工程學院。

　　為推動鈮酸鋰強場THz光源及其應用的發(fā)展，進一步專注于發(fā)展傾斜波前新技術(shù)與新方法，期望克服鈦寶石超短激光作用鈮酸鋰晶體產(chǎn)生THz輻射轉(zhuǎn)化效率較低的科學難題和技術(shù)挑戰(zhàn)，獲得高效率、高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性的強場THz輸出。在過去的五年里，吳曉君教授團隊分別與中國科學院物理研究所和中國科學院上海光學與精密機械研究所合作，采用技術(shù)成熟的鈦寶石激光器泵浦大尺寸鈮酸鋰晶體，克服了折射率差引起的相位失配、超短脈沖導致的有效作用距離短、高能量泵浦導致的非線性失真效應等挑戰(zhàn)，揭示了THz輻射效率飽和的非線性效應機理，提出了鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)協(xié)同補償線性化新機制，先后于2018年獲得了4 MV/cm峰值場強[Opt. Express 26. 7107 (2018)]，2020年獲得了1.4 mJ單脈沖能量輸出[Laser Photonics Rev. 12. 2000295 (2021), ESI高被引論文]，2021年獲得了13.5 mJ的單脈沖能量，相關(guān)工作被國際同行評價為“電場、世界紀錄、里程碑進展”等(圖9)。

　　圖9 北航強場THz團隊在強源產(chǎn)生及其應用的重要進展示意圖

　　五、總結(jié)與展望

　　針對強場THz電磁輻射在航空航天、量子信息、通信雷達、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重大應用缺乏高效率、高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性等“三高”強源的研究現(xiàn)狀，綜述了鈮酸鋰傾斜波前技術(shù)歷史沿革、理論模型、實驗進展、應用實例，以及北航及其合作團隊近五年在該方面取得的重要成果，展望了未來強場THz光源以及THz科學與應用的多學科交叉帶來的新挑戰(zhàn)與新機遇。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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