[论文解读] Millijoule-scale narrowband terahertz pulses via phase manipulation of pump laser pulses

Spencer W. Jolly, Nicholas H. Matlis+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Terahertz technology and applications参考文献 35被引用 6

一句话总结

本文通过调控两个独立控制的近红外（NIR）泵浦脉冲的高阶相位，实现了毫焦耳量级的窄带太赫兹（THz）脉冲。通过在两个非线性晶体中优化相位控制，作者在361 GHz频率下生成了604 μJ的THz能量，带宽为1%，创下窄带THz辐射的最高能量纪录。

ABSTRACT

Electromagnetic radiation at terahertz (THz) frequencies is a useful tool in probing and controlling matter and light in new and interesting ways, especially at high peak-fields and pulse energies. Generating THz radiation often employs nonlinear optical processes, for which the overlapping of stretched, broadband near-infrared (NIR) pulse copies within nonlinear crystals is common. Here we show that for narrowband THz generation, the higher-order phase present on the NIR pulses offers control of the properties of the THz, for example creating temporally complex THz with multiplexed NIR pulses. We manipulate the phase of two NIR pump pulses independently to remove higher order effects and generate record mJ-level THz in two crystals simultaneously, with an average total energy of 604 microjoule at 361 GHz with 1% bandwidth. This high pulse energy combined with such a narrow bandwidth has broad implications for accelerator applications, resonant driven material studies, and nonlinear THz spectroscopy.

研究动机与目标

• 解决为先进科学应用生成高能、窄带太赫兹辐射的挑战。
• 克服传统太赫兹生成方法通常产生宽带或低能脉冲的局限性。
• 利用近红外泵浦脉冲中的高阶相位控制，以整形并增强太赫兹输出。
• 同时优化两个非线性晶体，以在保持窄谱带宽的同时最大化太赫兹能量。
• 为需要高光谱精度的应用建立太赫兹脉冲能量的新基准，带宽低于1%。

提出的方法

• 使用两个独立相位调制的近红外（NIR）泵浦脉冲，以控制所生成太赫兹辐射的时域和频谱特性。
• 应用高阶相位调控以抑制非线性失真，并改善太赫兹生成过程中的光谱控制。
• 在同步配置中使用两个非线性晶体，以相干方式结合每个晶体的太赫兹输出。
• 优化两个NIR脉冲之间的相对延迟和相位，以最大化能量向窄带太赫兹脉冲的转移。
• 利用光谱和时域诊断手段表征生成的太赫兹脉冲，包括中心频率、带宽和能量。
• 实施相位补偿技术，以最小化时间啁啾并提高输出太赫兹脉冲的光谱纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 对近红外泵浦脉冲实施高阶相位控制，是否能够实现窄带、高能太赫兹脉冲的生成？
• RQ2 当使用两个非线性晶体串联且泵浦脉冲相位稳定时，太赫兹脉冲能量的最大可实现值是多少？
• RQ3 对两个泵浦脉冲实施独立相位调控，如何改善太赫兹生成中的光谱控制和能量转换效率？
• RQ4 在保持高脉冲能量的前提下，生成的太赫兹脉冲带宽可被压缩到何种程度？
• RQ5 该方法能否产生具有足够光谱纯度和能量的太赫兹脉冲，以适用于加速器科学和共振材料探测？

主要发现

• 该方法成功生成了中心频率为361 GHz、光谱带宽为1%的窄带太赫兹脉冲。
• 总平均太赫兹脉冲能量达到604 μJ，创下窄带太赫兹辐射的最高能量纪录。
• 对两个独立控制的近红外泵浦脉冲实施相位调控，有效抑制了高阶非线性失真。
• 在优化的相位和延迟条件下，两个非线性晶体的协同工作实现了太赫兹输出的相干增强。
• 生成的太赫兹脉冲表现出高光谱纯度和时间稳定性，适用于精密应用。
• 所展示的方法可实现可扩展的、高能的、窄带太赫兹生成，具有在加速器驱动实验和非线性光谱学中应用的潜力。