太赫兹波（THz）是一种电磁波，在电磁波谱上位于红外与微波之间。太赫兹光子能量在1-10 meV范围之间，在光谱分析、医疗成像、移动通信方面都有非常广阔的应用场景。THz产生通常基于瞬态电流辐射，本文将介绍3种常见的THz产生方式。

第一种方式为光整流。光整流效应类似于差频，其原理如图1所示，若脉冲自差频的频率落在THz范围内，则可产生不同频率的THz。典型的飞秒激光脉宽在10 fs - 10 ps，其对应的频谱内的频率差刚好覆盖0.1 - 100 THz。光整流可选择的晶体分为有机晶体及无机晶体两大类，无机晶体相位匹配带宽窄，但是损伤阈值高，目前取得的研究结果功率集中在100 mW - 1 W，小于5 THz这个范围；而有机晶体带宽宽，损伤阈值低，其功率在1 - 10 mW，但产生的THz频率可以覆盖到10 THz。

图1  差频产生THz原理[1]

选择晶体时，较大的非线性系数、较厚的晶体、较低的太赫兹吸收系数以及适当的光学和太赫兹频率折射率有助于提高THz产生效率。但是实际材料往往难以满足上述所有条件，图2列举了6种晶体的相位匹配情况。GAP吸收系数小，损伤阈值高，但是非线性系数小，效率仅为0.001%；LiNbO可以做到比较高的效率，但是需要波前倾斜，实际装置需要配合光栅等复杂度比较高；有机晶体非线性系数大，如BNA，效率可达0.1%，但是对温度敏感，损伤阈值低，承受功率一般小于2 W[2]。

图2  6种不同晶体激发THz时相位匹配条件[3]

第二种常用的产生THz的方式是光导天线，工作原理如图3所示。其基本结构是在半导体衬底上加工两个金属电极，当飞秒激光照射到电极之间的衬底材料时，半导体表面产生瞬态光生载流子，这些载流子在外加偏置电场作用下形成瞬态光电流，辐射太赫兹电磁波脉冲。较大的偏置电压、交叉电极阵列的方式可以增强该方式的THz产生效率（如图3）。

图3  光导天线产生THz原理

第三种产生THz的方式是激光产生等离子体。其最大的优势是不受介质损伤阈值的限制，可借助高功率激光来实现超强太赫兹辐射。1993 年，Hamster 等人用TW级的高功率激光使气体电离产生等离子体，从而辐射太赫兹波。2000 年，双色场理论的提出大大提高了太赫兹波的辐射效率。进一步研究表明，稀有气体中太赫兹产生效率更高，可达到 。激光与等离子体相互作用的太赫兹辐射源可根据产生等离子体的物质状态来区分，主要包括固态、液体、气体。等离子体产生THz强度和等离子体密度相关，其中气体等离子体密度最弱，目前辐射THz能量最高为0.185 mJ；固体产生等离子体密度最强，研究人员用60 J 的超强激光泵浦金属薄膜，获得了55 mJ的太赫兹。但强激光照射会破坏固体靶体，导致等离子体状态不稳定，从而阻碍了稳定的太赫兹产生。相比之下，气体靶提供较低的等离子体密度，但气体可持续补充，确保了太赫兹辐射的稳定性。作为气体和固体靶的折中，具有更高密度和潜在改善等离子体稳定性的液体靶已被研究。目前液体产生太赫兹的能量仅有0.08 mJ，提升液体靶的效率是之后的工作重点。

图4  不同技术产生THz结果[1]

随着高功率飞秒激光技术的快速发展，基于飞秒激光泵浦的太赫兹输出能量也在逐年提升（如图4），从单脉冲能量nJ 到μJ 再发展到目前mJ 量级，实现了6个数量级的跨域，功率也从mW 跨越到W 级。这些技术极大促进了太赫兹光源的应用。

参考文献：[1] Fülöp J A, Tzortzakis S, Kampfrath T. Laser‐driven strong‐field terahertz sources[J]. Advanced Optical Materials, 2020, 8(3): 1900681. [2] Mansourzadeh S, Vogel T, Shalaby M, et al. Milliwatt average power, MHz-repetition rate, broadband THz generation in organic crystal BNA with diamond substrate[J]. Optics Express, 2021, 29(24): 38946-38957. [3] Mansourzadeh S, Vogel T, Omar A, et al. Towards intense ultra-broadband high repetition rate terahertz sources based on organic crystals[J]. Optical Materials Express, 2023, 13(11): 3287-3308. [4] Choi W J, Armstrong M, Yoo J H, et al. Toward high-power terahertz radiation sources based on ultrafast lasers[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2024.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之六十三 超快激光驱动的THz源