脉冲种子光，让太赫兹波的输出更宽更强

封面文章| 《光学学报》第15期封面故事：徐德刚;闫超;聂港;唐隆煌;陈锴;王与烨;姚建铨; 基于MgO: CLN晶体的脉冲种子注入式太赫兹波参量产生源[J]. 光学学报,2020,40(15):1519002.

微信阅读： 

太赫兹波(THz wave)是位于红外和毫米波之间的电磁波谱区域，由于其单光子能量低、具有物质“指纹性”特性等独特优势，在材料科学、生物医疗和国防安全等领域具有重要应用。宽频段可连续调谐的太赫兹辐射源，是生物医学光谱成像、物质特性检测等众多领域的关键技术之一。然而，目前常见的太赫兹波辐射源还不能完全满足实际应用中对高能量、室温工作、宽频段连续调谐的需求。

基于受激电磁耦子散射的太赫兹波参量辐射源具有输出能量高、频率连续可调谐、室温工作等优点，是实现宽频段连续调谐太赫兹波输出的重要方法之一。目前，同成分铌酸锂晶体（CLN）由于其二阶和三阶有效非线性系数高、最低阶A1对称模频率正处于太赫兹波段，成为最为常见的太赫兹参量晶体而被广泛应用于太赫兹波参量振荡器（TPO）或太赫兹波参量产生器（TPG）中，其可实现1-3 THz范围内的可调谐THz波输出。

由于CLN晶体对高频THz波具有很强的吸收，且在高频处晶体中三波互作用区域逐渐减小，这使得基于CLN晶体的太赫兹波参量辐射源输出频率上限一般为3 THz，且高能量太赫兹波输出频率范围往往集中于1.4-2.0 THz，输出3 dB带宽小于1 THz。这限制了其在生物医学光谱成像、物质特性测量等众多领域的应用。

天津大学徐德刚教授课题组提出了一种新型的太赫兹波参量产生装置——脉冲种子注入式太赫兹波参量产生器（ips-TPG），以实现基于CLN晶体的宽带高增益太赫兹波输出。

实验装置如图1所示，主要由两个部分组成。第一部分是脉冲种子光的产生。实验中使用532 nm激光抽运KTP晶体光学参量振荡器（KTP-OPO）以产生近红外波段的种子光。且该种子光的波长可以通过旋转KTP晶体实现连续调谐。第二部分是太赫兹参量产生。将泵浦光和种子光入射到CLN晶体中，通过旋转反射镜调节种子光与泵浦在晶体中的夹角，以满足不同波长种子光注入情况下晶体中的相位匹配条件，实现宽带高能量的太赫兹波输出。

图1 ips-TPG实验装置图。 插图：CLN晶体的结构示意图.

相较于传统的太赫兹波参量振荡（产生）器，脉冲种子光的注入不仅能够增强太赫兹波产生过程中的二阶参量过程与三阶受激电磁耦子散射过程的效率，同时还能大幅降低受激电磁耦子散射阈值，有效地补偿THz高频段处由于三波互作用区域减小所带来的增益衰减，最终提升整个频率调谐范围的THz波输出能量，并实现THz波在高频波段的高能量输出。

该课题组对ips-TPG的THz波输出特性进行了测量，结果如图2所示。采用这一方法，该课题组实现了1-4 THz的连续太赫兹波输出，在2 THz处获得最大能量输出1.02 μJ，3 dB带宽达1.94 THz（1.38 THz~3.32 THz）。与传统的太赫兹波参量辐射源相比，脉冲种子注入式太赫兹波参量产生源不仅拓宽了THz波的输出频率范围，同时实现输出3 dB带宽2倍的提升，具有高能量、宽带高增益、频率连续可调谐的特点，满足THz波在众多应用领域的需求，为THz波在实际应用中的发展奠定了基础。

图2 ips-TPG的太赫兹波调谐输出特性。插图：ips-TPG的太赫兹波能量衰减因子.

在后续的工作当中，该课题组将采用振镜电控系统自动调谐THz波输出频率，以实现高功率、宽带THz频域光谱系统。该课题组相信，基于ips-TPG实现的宽带、高能量太赫兹辐射源，将提升太赫兹波参量辐射源在光谱检测、物质成像等众多领域中的应用价值。

每期封面：

延伸阅读：

[1] 徐德刚;李长昭;王与烨;等; 基于MgO:SLN晶体的环形腔太赫兹参量振荡器的研究[J]. 光学学报, 2018, 38(11): 1119001.

[2] 徐德刚;朱先立;王与烨;等; 基于DAST晶体差频的可调谐THz辐射源[J]. 光学学报, 2020, 40(4): 0404001.

[3] 谭智勇;曹俊诚; 基于太赫兹半导体量子器件的光电表征技术及应用[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614004.

[4] 冀允允;范飞;于建平;等; 太赫兹液晶可调谐功能器件[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614006.

[5] 罗佳文;王雪敏;沈昌乐;等; 太赫兹量子级联激光器阵列耦合的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(1): 010004.

[6] 聂佳琪;赵欢;张岩; 基于硒化镓晶体差频效应的宽谱太赫兹系统[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(7):073001.

[7] 《中国激光》太赫兹科学与技术专题