【资讯】“强场太赫兹光谱测量科学、技术与应用”

2025-10-11 18:06:44

一、研究背景

随着激光技术的发展，超强激光能够产生高能量密度的极端非平衡物理状态。温稠密物质的直流电导率是研究该物质结构、辐射性质和动力学的重要参数，但是在大型高能量密度装置上获取温稠密物质时间分辨的电导率还面临着巨大挑战。用太赫兹时域光谱技术诊断均匀温稠密物质状态在实验上的挑战主要来自于两个方面：一是缺乏强场太赫兹源。温稠密物质是一种与固体具有相同密度的等离子体，太赫兹电场在该物质中的透过率往往在1%量级，只有强太赫兹场透过温稠密物质样品后的太赫兹波形才有可能被探测到。二是缺乏单发太赫兹波形探测手段。低重复频率、高脉冲能量的超快激光产生温稠密物质的过程是破坏性的、不可重复的，温稠密物质电导率信息包含在透射的一个太赫兹脉冲上，因而必须发展单发太赫兹波形探测技术。

二、创新工作

针对大型激光装置低重复频率、高能量泵浦的破坏性、非平衡瞬态诊断需求，国防科技大学强场超快物理研究团队自主设计并搭建了强激光泵浦-太赫兹波探测系统。用反射式阶梯镜替代传统电光采样光路中的平面反射镜，实现了太赫兹波形的单发探测。在中国工程物理研究院等离子体物理重点实验室的45 TW 钛宝石飞秒激光装置上，通过单发太赫兹时域光谱技术获得了温稠密金在太赫兹波段时间分辨的电导率数据，为建立准确的温稠密物质的理论模型提供了校验基准。

光泵浦-太赫兹波形单发探测系统如图1（a）所展示。该系统分为太赫兹脉冲与温稠密物质产生、太赫兹波形单发探测两个模块。这两个模块分别集成到两块面包板上，前者放置于真空腔体内，后者放置于大气环境中，移动便捷，安装简单，可适应不同的激光装置使用场景。400 nm激光脉冲泵浦30 nm自支撑金膜产生温稠密物质状态，焦耳量级的脉冲能量泵浦直径为3英寸的铌酸锂晶片通过光整流效应产生太赫兹脉冲。脉冲能量为7 μJ的太赫兹脉冲能量能够测量到室温下30 nm厚金膜的透射太赫兹光谱。太赫兹脉冲与泵浦光共线传播，便于光路调节。图1（b）、（c）分别展示了利用 800 nm 激光作为光源对金膜进行反射与透射照像的结果，结果显示金膜表面质量较好。图1（d）展示了光泵浦-太赫兹探测的空间分布，泵浦光斜入射，太赫兹正入射。

图1 光泵浦-太赫兹波形单发探测系统示意图

研究团队首先在实验室4 mJ桌面级飞秒激光上验证了该系统单发太赫兹波形探测能力，结果如图2所示。结果证明本系统单发探测获得的太赫兹波形和传统多发扫描获得的波形基本一致。

图2 单发探测与传统多发扫描探测的太赫兹波形对比。（a）有太赫兹的单发信号；（b）无太赫兹的单发背景信号；（c）单发太赫兹调制信号；（d）由（c）纵向积分得到的单发波形和传统多发扫描波形的对比

通过优化驱动光脉冲宽度，利用厚度为1 mm的铌酸锂晶片共线光整流在非相位匹配的情况下获得了单脉冲能量为7 μJ的太赫兹脉冲，太赫兹能量转换效率约为7×10-6，结果如图3所示。

图3 太赫兹脉冲能量表征

钛宝石激光的基频输出通过KDP倍频晶体产生400 nm飞秒激光，加热图1（b）所展示的30 nm金膜产生温稠密物质状态，通过太赫兹波形单发探测系统测量的温稠密金时间分辨的电导率结果如图4所示。金膜5d电子吸收400 nm（3.1 eV）泵浦光子，电子温度在亚皮秒时间内从室温上升到10000 K以上，导致太赫兹透过率在最初的3 ps内急剧上升（电导率急剧下降），此时离子温度仍保持在室温。接着，高温的电子系统向低温的离子系统传输能量。随着离子温度升高，太赫兹透过率缓慢上升（电导率缓慢下降）。借助双温模型，利用太赫兹透过率的跃变幅度，可以诊断激光脉冲结束后电子的温度；利用太赫兹透过率的缓慢上升，可以诊断温稠密物质电子-离子的耦合系数。

图4 温稠密金电导率σ0和太赫兹透过率随泵浦延时的变化（负延时表示太赫兹先于泵浦光到达金膜），图中实线为双指数拟合得到的电导率随泵浦延时的变化，五角星数据点表示室温下（300 K）金的直流电导率，σdc bulk=4.403×107 S/m

三、总结

太赫兹波为高能量密度物理提供了一个独特的探针。基于大型高能量密度装置产生的强场太赫兹脉冲以及太赫兹波形单发探测技术，太赫兹时域光谱技术能够诊断温稠密物质的结构和输运特性。国防科技大学强场超快研究团队设计搭建了强激光泵浦-单发太赫兹时域光谱探测系统，并利用该系统在45 TW激光装置上测量了温稠密金在太赫兹波段的时间分辨的电导率，为极端非平衡物态提供了新的诊断工具。

参考文献： 中国光学期刊网

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