太赫茲(THz)科學(xué)是世界科學(xué)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(yīng)用價值。目前，THz科學(xué)與技術(shù)正與物理、化學(xué)、材料、生物、**、天文、加速器等領(lǐng)域形成學(xué)科大交叉、技術(shù)大融合、應(yīng)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(xué)與光子學(xué)拓展區(qū)，THz應(yīng)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(xué)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(yīng)用工作，但弱場THz光源的輻射效率低，能量小，直接導(dǎo)致THz與物質(zhì)相互作用的非線性效應(yīng)、新奇量子物態(tài)調(diào)控、電子加速與生物醫(yī)療應(yīng)用等方面的前沿科學(xué)與應(yīng)用研究受到制約。為滿足實際應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(yù)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(yīng)等重要物理過程，使得理論預(yù)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(fù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

　　圖7 強場THz電子加速與操控及其應(yīng)用的示意圖

　　3、強場THz生物學(xué)效應(yīng)

　　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(dǎo)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(yīng)用在人類疾病的干預(yù)和治療中。

　　圖8 強場THz在不同尺度下生物學(xué)效應(yīng)的示意圖

　　四、北航強場THz源與應(yīng)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(xué)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(yīng)、耦合輸出的科學(xué)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(xué)電子信息工程學(xué)院。

　　為推動鈮酸鋰強場THz光源及其應(yīng)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(xué)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(xué)院物理研究所和中國科學(xué)院上海光學(xué)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(dǎo)致的有效作用距離短、高能量泵浦導(dǎo)致的非線性失真效應(yīng)等挑戰(zhàn)，揭示了THz輻射效率飽和的非線性效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)與應(yīng)用的多學(xué)科交叉帶來的新挑戰(zhàn)與新機遇。

　　參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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