北航专辑 | 吴晓君：铌酸锂太赫兹强源——高效率、高质量、高稳定

本文为中国激光第2689篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。

编者按

2022年正值北京航空航天大学建校70周年之际，《中国激光》联合北航校内代表性单位策划出版了“空天仪光”纪念专辑。专辑共收录27篇特邀论文，内容涵盖惯性技术、激光技术、光电测量、成像与显示等多个领域，充分展现了北京航空航天大学在光学仪器领域的研究进展和特色。

本文来源于北京航空航天大学吴晓君教授受邀撰写的综述《铌酸锂强场太赫兹光源及其应用》，回顾了铌酸锂倾斜波前技术的发展历程，从理论原理、实验方法、应用实例等方面综述了国内外铌酸锂强场THz光源技术及其应用现状，并介绍了北京航空航天大学近五年与国内外高校院所合作实现的铌酸锂THz强源及其应用重要进展。

论文信息：吴晓君, 任泽君, 孔德胤, 郝思博, 代明聪, 熊虹婷, 李培炎. 铌酸锂强场太赫兹光源及其应用[J]. 中国激光, 2022, 49(19): 1914001

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研究背景

太赫兹（THz）科学是世界科学前沿研究热点，THz技术在航空航天、国家安全、通信雷达、量子信息、生物医疗等领域已展现出重要的应用价值。目前，THz科学与技术正与物理、化学、材料、生物、国防、天文、加速器等领域形成学科大交叉、技术大融合、应用大突破的发展态势，是世界科技大国竞争的战略制高点。然而，THz频段处于电磁波谱微波与红外交界处，THz理论处于经典与量子交汇点，THz技术处于电子学与光子学拓展区，THz应用却极大受限于强源、核心器件和系统技术的严重匮乏。其中，强源的缺乏成了关键中的关键。

产生THz辐射的方法很多，但做强却很难。以光学方法产生的THz辐射虽然已在材料表征、器件测试、无损检测等方面开展了一些研究和应用工作，但弱场THz光源的辐射效率低，能量小，直接导致THz与物质相互作用的非线性效应、新奇量子物态调控、电子加速与生物医疗应用等方面的前沿科学与应用研究受到制约。为满足实际应用，强场THz光源需具有高效率、高光束质量、高稳定性的“三高”特质。铌酸锂晶体具备非线性系数大、晶体尺寸大、破坏阈值高、固态稳定性好等优点，非常适合超强超短激光产生“三高”THz强源并开展强场应用（图1）。

图1 飞秒激光泵浦铌酸锂产生的强场THz光源及其应用

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铌酸锂THz强源理论及实验

• 铌酸锂THz强源发展历程

脉冲激光泵浦铌酸锂产生THz辐射要追溯到1971年。随着激光器的发明以及脉冲激光的实现，采用脉冲激光泵浦铌酸锂晶片获得了世界上第一个THz脉冲。但是，在后续近三十年的时间里，铌酸锂并未作为THz辐射材料而受到青睐，直到2002年倾斜波前技术的提出才打破僵局。尽管如此，将微焦量级的单脉冲能量提升到毫焦耳量级也用了近二十年的时间。图2展示了铌酸锂THz强源的历史沿革，以每5年为间隔，共分为五步发展：倾斜波前起源（1971-2002）、原理验证与实验发展（2003-2007）、能量转化效率提升（2008-2013）、毫焦量级THz输出（2014-2019）、THz能量效率突破（2000至今）。该图诠释了铌酸锂THz辐射源半个世纪的发展脉络，揭示了THz强源技术的困难。

图2 基于铌酸锂倾斜波前技术产生强场THz脉冲的阶段性发展示意图

• 铌酸锂倾斜波前原理模型

近年来，不仅铌酸锂THz强源实验技术得到了快速发展，在理论方面也有非常重要的进步。采用铌酸锂倾斜波前技术产生THz的过程需要考虑到两个不同频段的波（THz波和泵浦激光）之间的相互作用以及各种线性和非线性过程，理论和模型都很复杂。倾斜波前理论经历了四代模型的演变。第一代的简单1D模型用于预测THz产生波形，第二代基于线型源解析解与卷积可得到2D的THz脉冲波形。第三代则聚焦在对波函数的严格解从而得到更准确的THz波形和能量。第四代基于传播方向上的缓变包络近似并考虑级联效应等重要物理过程，使得理论预测可以更准确地解释实验现象。飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生强场THz辐射的物理机理十分复杂，影响THz产生效率主要有六大因素，如图3所示。

图3 影响THz产生效率的关键因素

• 铌酸锂单周期THz强源

在实际实验中，通过飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生单周期强场THz辐射的代表性光路如图4所示。倾斜波前装置主要包含泵浦激光器、用于波前倾斜的元件、成像系统、铌酸锂晶体、THz诊断方法等。飞秒激光脉冲经过两个平面反射镜后再经光栅的负一阶衍射，经过半波片和两个柱透镜成像于铌酸锂晶体，辐射出THz脉冲。产生的THz脉冲由热电探测器检测，THz的光斑质量通过THz相机进行表征，利用一条延迟线、一对光栅架、格兰棱镜和光谱仪组成单发诊断探测辐射的时域波形图。在实际实验中，要想获得毫焦耳级甚至更高能量的THz输出，需要综合考虑图3中每个因素，且需要在图4中将每个优化参数都做到最好，才能实现。

图4 基于飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生单周期强场THz辐射的典型光路图

• 铌酸锂多周期THz强源

多周期强场THz具有窄带频谱以及高效率的波导耦合等特点非常适用于电子加速和有选择性的物态调控应用等。结合铌酸锂倾斜波前技术，与多种方法耦合，也可高效率产生多周期强场THz辐射。

如图5所示，基于铌酸锂倾斜波前技术的多周期强场THz产生方法可分为：（1）啁啾和延迟（chirp and delay）技术；（2）迈克尔逊干涉仪产生脉冲串技术；（3）echelon阶梯镜方法；（4）周期性极化铌酸锂（PPLN）。无论是产生单周期强场THz还是多周期强场THz，主要手段都是基于铌酸锂的光整流方法，因此，铌酸锂晶体材料质量对高效率超强THz辐射的产生起着决定性作用。

图5 基于倾斜波前装置和PPLN产生多周期强场THz示意图

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铌酸锂强场THz应用

• 强场THz物态调控

强场太赫兹电场分量，在非微扰范畴可调控电子轨道特性；磁场分量可以调控电子自旋及非平衡态磁结构；通过非线性声子效应，可以调控远离平衡态的电子结构量子特性。因此，在国际上，利用强场太赫兹已经在拓扑绝缘体能带调控、钛酸锶量子材料结构相变、二维材料层间耦合、磁涡旋、磁子与声子耦合等方面，观察到了许多远离平衡态的新奇量子物态调控现象。图6为强场THz对电子、自旋、晶格（声子）、磁子等的相互作用基本过程示意图。

图6 强场THz对电子、自旋、分子振转、磁子相互作用的基本过程示意图

• 强场THz电子加速与操控

THz驱动的电子加速器不仅能够提高加速结构击穿阈值，产生较大的加速梯度，同时能够适用于具有大电量电荷的电子束加速。与其他新型加速结构相比，THz电子加速可同时满足稳定性高、电荷容量大、结构简单紧凑等优点。图7为强场THz电子加速与操控及其应用示意图。

该方面的研究大多基于铌酸锂强场THz光源，要想真正实现THz电子加速器，还需要更高能量的THz脉冲，以更高的加速梯度实现对电子的加速与操控，才能获得更加紧凑、更高加速梯度的电子加速器，在超快电子衍射和超快X射线光谱与成像应用中发挥重要作用。

图7 强场THz电子加速与操控及其应用的示意图

• 强场THz生物学效应

随着THz源的发展和THz场强不断提升，越来越多的科研工作者投身于强场THz与生物组织的相互作用。图8是强场THz和不同尺度的生物组织相互作用的总结概念图。

现有研究表明，强场THz共振会使DNA碱基对断裂，促进DNA实现解缠绕，还会导致蛋白质变性，二级结构发生改变。利用强场THz辐照细胞，细胞膜通透性会发生改变，进而加速离子膜间的运动。随着强场THz源性能的进一步提高，未来有望将THz频段应用在人类疾病的干预和治疗中。

图8 强场THz在不同尺度下生物学效应的示意图

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北航强场THz源与应用

吴晓君教授自2013年开始研究铌酸锂倾斜波前技术，2013到2017年作为洪堡学者在德国DESY的Franz X. Kaertner 教授团队工作，期间为实现世界第一台全光驱动的THz电子加速器，从铌酸锂倾斜波前理论和实验两个方面开展了系统的研究工作：从辐射机理、饱和效应、耦合输出的科学难题和技术挑战出发，成功地将超短超强激光泵浦铌酸锂晶体产生THz辐射的单脉冲能量从微焦量级提升到了亚毫焦量级(0.13 mJ)。相关研究工作发表在[Opt. Lett. 39, 5403 (2014)]、[Opt. Express 23, 29729 (2015)]、[Opt. Express 24, 21059 (2016)]等期刊上，在该研究方向上积累了扎实的研究基础。

2017年回国后加入北京航空航天大学电子信息工程学院。为推动铌酸锂强场THz光源及其应用的发展，进一步专注于发展倾斜波前新技术与新方法，期望克服钛宝石超强超短激光作用铌酸锂晶体产生THz辐射转化效率较低的科学难题和技术挑战，获得高效率、高光束质量、高稳定性的强场THz输出。在过去的五年里，吴晓君教授团队分别与中国科学院物理研究所和中国科学院上海光学与精密机械研究所合作，采用技术成熟的钛宝石激光器泵浦大尺寸铌酸锂晶体，克服了折射率差引起的相位失配、超短脉冲导致的有效作用距离短、高能量泵浦导致的非线性失真效应等挑战，揭示了THz辐射效率饱和的非线性效应机理，提出了铌酸锂倾斜波前技术协同补偿线性化新机制，先后于2018年获得了4 MV/cm峰值场强[Opt. Express 26, 7107 (2018)]，2020年获得了1.4 mJ单脉冲能量输出[Laser Photonics Rev. 12, 2000295 (2021), ESI高被引论文]，2021年获得了13.5 mJ的单脉冲能量，相关工作被国际同行评价为“最强电场、世界纪录、里程碑进展”等（图9）。

图9 北航强场THz团队在强源产生及其应用的重要进展示意图

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总结与展望

针对强场THz电磁辐射在航空航天、量子信息、通信雷达、生物医疗等领域的重大应用缺乏高效率、高光束质量、高稳定性等“三高”强源的研究现状，综述了铌酸锂倾斜波前技术历史沿革、理论模型、实验进展、应用实例，以及北航及其合作团队近五年在该方面取得的重要成果，展望了未来强场THz光源以及极端THz科学与应用的多学科交叉带来的新挑战与新机遇。

课题组介绍

北京航空航天大学吴晓君课题组长期开展THz强源、器件、系统应用等方面研究，通过与国内外多家高校院所紧密合作，在国家重大仪器专项、科技部重点研发计划、国家实验室等支持下，在理论上揭示了超强超短激光泵浦大尺寸铌酸锂晶体产生THz辐射效率低的瓶颈，在实验上提出了协同补偿线性化新机制，率先在国际上连续突破了毫焦耳级和十毫焦耳级铌酸锂THz强源世界纪录，研制了多套铌酸锂THz强源及其应用装置，支撑了强场THz全光电子加速、量子物态调控、生物医学应用等方面的应用研究，服务THz世界科学前沿、国家需求、经济主战场和人民生命健康。

通信作者简介

吴晓君，北京航空航天大学教授、博导，主要研究强场太赫兹光源及其应用。以第一或通讯作者身份发表Nature子刊在内SCI期刊论文52篇，其中ESI高被引论文2篇，编辑推荐文章3篇，封面文章6篇，授权专利20余项。曾获德国洪堡学者、国际红外毫米波太赫兹学会首个Zhenyi Wang奖、第一届超快科学全球女科学家奖等荣誉和奖励。现担任国际光学旗舰期刊Optics Express编委，在领域内重要学术会议做主旨和特邀报告30余次。

科学编辑 | 吴晓君

编辑 | 沈灵灵

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