上海光机所在基于Yb激光的新型太赫兹源研究中取得进展

近日，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室在基于Yb激光泵浦有机晶体产生强场太赫兹波方面取得新进展。相关研究成果以 “Efficient strong-field THz generation from DSTMS crystal pumped by 1030nm Yb-laser” 为题发表在Applied Physics Letters上。

相比于ZnTe、LiNbO3等无机晶体，DAST、DSTMS等有机晶体在太赫兹频段具有更高的非线性系数和更低的吸收系数。在之前的研究中，一般采用波长1200至1700nm的红外超短脉冲激光泵浦有机晶体，以实现更好的相位匹配，获得更高的太赫兹转化效率。然而，获得这一波段的高能量超短激光脉冲需要利用OP(CP)A等技术进行频率转换，这不但大大降低了能量转化效率和系统稳定性，而且提高了设备成本和复杂度。近年来，超快Yb激光因其在低成本、高功率、小型化等方面的优势受到科研界和工业界的重视。以Yb激光直接驱动晶体产生太赫兹波，为集成化太赫兹源的开发提供了思路，也为相关科学研究和应用领域的发展带来契机。

本研究阐述了超短脉冲激光泵浦有机晶体光整流产生太赫兹波的相位匹配条件，并分析了太赫兹频率、相干长度等与泵浦激光的依赖关系。研究团队利用Yb激光泵浦有机晶体DSTMS产生强场太赫兹。通过设计太赫兹波段相位匹配，优化泵浦激光脉冲宽度和功率密度等条件，获得单脉冲能量0.4 μJ，峰值场强236 kV/cm的强场太赫兹波，频谱覆盖0.1-6 THz，激光-太赫兹波能量转化效率达到0.22%。以上相关实验验证了Yb激光泵浦有机晶体产生毫瓦级高功率强场太赫兹波的可行性，为相关领域的科学研究和应用推广提供一种新型的集成化太赫兹光源方案。

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图1. 强场太赫兹波的产生和表征 (a)实验光路；(b)太赫兹时域波形和频谱（插图为太赫兹焦斑）。

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图2. 激光-太赫兹波相位匹配 (a)DSTMS晶体在红外波段和太赫兹波段的折射率；(b)太赫兹频率、相干长度等与泵浦激光波长的依赖关系；(c)泵浦激光波长为1030 nm时的太赫兹相干长度；(d)DSTMS晶体在红外和太赫兹波段的吸收特性。

相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院仪器设备研制项目等支持。

相关链接：https://doi.org/10.1063/5.0190109