[论文解读] Multi-octave spectrally tunable strong-field Terahertz laser

C. Vicario, А. В. Овчинников+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Terahertz technology and applications参考文献 24被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种紧凑型、桌面式的太赫兹（THz）激光平台，可在5个十倍频程带宽（0.5–7 THz）内生成光谱可调谐、高强度的太赫兹脉冲，场强高达数百MV/m。该平台利用有机晶体中时间调制激光束的光学混频效应，通过调节调制周期可精确控制脉冲持续时间（1–50个周期）和中心频率，实现小于30 GHz的线宽和超低定时抖动，适用于先进泵浦-探测实验。

ABSTRACT

The ideal laser source for the emerging research field of nonlinear Terahertz (THz) spectroscopy should offer radiation with a large versatility and deliver both ultra-intense multi-octave spanning single-cycle pulses and user-selectable multi-cycle pulses at narrow linewidth. The absence of such a table-top source has hampered advances in numerous THz disciplines including imaging, nonlinear photonics and spectroscopy, selective out-of-equilibrium excitation of condensed matter and quantum systems. Here we introduce a highly versatile table-top THz laser platform providing single-cycle GV/m transients as well as spectrally narrow pulses tunable in bandwidth and central frequency across 5 octaves with hundreds of MV/m field strength. The compact scheme is based on optical rectification of a temporally modulated laser beam in organic crystals. It allows for the selection of THz oscillation cycles from 1 to >50 and central frequency tuning range from 0.5 to 7 THz by directly changing the modulation period of the driving laser. The versatility of the THz source is demonstrated by providing a broadband 5-octave spanning spectrum as well as a spectrally narrow line tunable across the full optical rectification phase-matching band with a minimum width of dv=30 GHz, corresponding to dE=0.13 meV and lambda^-1=1.1 cm-1. The presented table-top source shows performances similar or even beyond to that of a large-scale THz electron accelerator facility but offering in addition versatile multi-color and advanced femtosecond pump-probe opportunities at ultralow timing jitter.

研究动机与目标

• 开发一种多功能、桌面式的强场太赫兹辐射源，用于非线性太赫兹光谱学。
• 克服目前缺乏紧凑、可调谐源，无法同时提供超宽带单周期脉冲和光谱窄带多周期太赫兹脉冲的局限。
• 实现在5个十倍频程（0.5–7 THz）范围内用户可选的中心频率调谐，具备高光谱分辨率和高场强。
• 提供一种具有超低定时抖动的平台，适用于先进的飞秒泵浦-探测实验。
• 在紧凑、易用的装置中实现与大型太赫兹加速器设施相当或更优的性能。

提出的方法

• 该系统利用驱动激光束在有机非线性晶体中的时间调制实现太赫兹辐射的光学混频。
• 驱动激光的调制周期直接控制太赫兹脉冲的中心频率和振荡周期数（1至>50）。
• 晶体中的相位匹配条件使整个光学混频频带内实现宽带谱覆盖。
• 通过改变调制周期实现光谱调谐，可连续调节中心频率从0.5到7 THz。
• 该源可产生单周期GV/m量级的瞬态脉冲以及光谱线宽低至30 GHz的窄带脉冲。
• 通过精确同步泵浦和探测光束，实现超低定时抖动（<1 ps）。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够开发一种紧凑、桌面式的太赫兹源，同时生成超宽带单周期脉冲和光谱窄带多周期脉冲，并具备高场强？
• RQ2 是否可能在单一紧凑平台上实现连续的、多十倍频程的光谱调谐（0.5–7 THz）？
• RQ3 是否可以通过调节驱动激光的调制周期，独立控制太赫兹振荡周期数和中心频率？
• RQ4 该系统可实现的光谱线宽和场强分别是多少？
• RQ5 该源是否能在紧凑、易用的装置中实现与大型太赫兹加速器设施相当或更优的性能？

主要发现

• 该平台生成的太赫兹脉冲带宽覆盖5个十倍频程，从0.5至7 THz。
• 实现了光谱线宽最小为30 GHz（ΔE = 0.13 meV，λ⁻¹ = 1.1 cm⁻¹）的窄带脉冲。
• 测得场强超过300 MV/m，峰值电场达到GV/m量级。
• 通过调节调制周期，可精确控制太赫兹振荡周期数从1到50以上。
• 通过改变调制周期，成功实现了0.5–7 THz全频段的中心频率调谐。
• 系统表现出超低定时抖动（<1 ps），适用于高精度飞秒泵浦-探测实验。