[论文解读] 1.4-mJ High Energy Terahertz Radiation from Lithium Niobates

Baolong Zhang, Zhenzhe Ma+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2020

Terahertz technology and applications参考文献 60被引用 4

一句话总结

本论文通过低温冷却、啁啾的214-mJ飞秒激光脉冲，利用倾斜脉冲前沿技术，在铌酸锂晶体中实现了1.4-mJ太赫兹（THz）脉冲的产生。该方法实现了0.7%的能量转换效率，并产生6.3 MV/cm的自由空间太赫兹电场和2.1 T的磁场，从而实现了极端非线性太赫兹应用以及在硅中的场致谷间散射。

ABSTRACT

Free-space super-strong terahertz (THz) electromagnetic fields offer multifaceted capabilities for reaching extreme nonlinear THz optics, accelerating and manipulating charged particles, and realizing other fascinating applications. However, the lack of powerful solid-state THz sources with single pulse energy >1 mJ is impeding the proliferation of extreme THz applications. The fundamental challenge lies in hard to achieve high efficiency due to high intensity pumping caused crystal damage, linear absorption and nonlinear distortion induced short effective interaction length, and so on. Here, through cryogenically cooling the crystals, delicately tailoring the pump laser spectra, chirping the pump pulses, and magnifying the laser energies, we first successfully realized the generation of 1.4-mJ THz pulses lithium niobates under the excitation of 214-mJ femtosecond laser pulses via tilted pulse front technique. The 800 nm-to-THz energy conversion efficiency reached 0.7%, and a free-space THz peak electric and magnetic fields reached 6.3 MV/cm and 2.1 Tesla. Our numerical simulations based on a frequencydomain second-order nonlinear wave equation under slowly varying envelope approximation reproduced the experimental optimization processes. To show the capability of this super-strong THz source, nonlinear absorption due to field-induced intervalley scattering effect in high conductive silicon induced by strong THz electric field was demonstrated. Such a high energy THz source with a relatively low peak frequency is very appropriate not only for electron acceleration towards table-top X-ray sources but also for extreme THz science and nonlinear applications.

研究动机与目标

• 解决缺乏单脉冲能量超过1 mJ的高能固态太赫兹光源的问题。
• 应对晶体损伤、线性吸收和非线性失真对铌酸锂中高效太赫兹生成的限制。
• 开发一种可扩展、高效率的方法，用于生成适用于极端非线性光学的超强太赫兹场。
• 展示该光源在诱导非线性效应（如高电导率硅中的场致谷间散射）方面的能力。
• 通过高场太赫兹生成，建立用于桌面型X射线源和先进太赫兹科学的平台。

提出的方法

• 将铌酸锂晶体低温冷却以降低热损伤并提高损伤阈值。
• 调节泵浦激光光谱并对其脉冲施加时间啁啾，以延长有效相互作用长度。
• 利用倾斜脉冲前沿技术实现空间重叠、高强度且光束面积较大的泵浦光束。
• 在慢变包络近似下，采用频域二阶非线性波方程进行数值模拟与优化。
• 将激光泵浦能量提升至214 mJ，以在保持高转换效率的同时最大化太赫兹输出。
• 测量并表征生成的太赫兹脉冲的峰值电场与磁场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 低温冷却是否能显著提高铌酸锂在高强度太赫兹生成中的损伤阈值？
• RQ2 脉冲啁啾与光谱整形在非线性太赫兹生成中能将有效相互作用长度延长到何种程度？
• RQ3 在使用高能飞秒激光的倾斜脉冲前沿技术下，铌酸锂中可实现的最大单脉冲能量是多少？
• RQ4 所产生的自由空间太赫兹电场与磁场强度有多强？是否能诱导可测量的非线性效应？
• RQ5 该光源能否实现电子加速或对半导体中电荷载流子的非线性调控等新应用？

主要发现

• 实验利用214-mJ飞秒激光脉冲，从铌酸锂中实现了1.4-mJ单脉冲太赫兹输出。
• 从800 nm到太赫兹辐射的能量转换效率达到0.7%，显著优于以往方法。
• 生成的自由空间太赫兹峰值电场达到6.3 MV/cm，磁场达到2.1 T，支持极端场研究。
• 基于频域二阶非线性波方程的数值模拟准确再现了实验的优化过程。
• 强太赫兹场诱导了高电导率硅中的谷间散射，证明了在极端场条件下存在非线性响应。
• 由于其高能量和低峰值频率，该光源适用于桌面型X射线生成和极端非线性太赫兹科学应用。