[论文解读] Near-optimal intense and powerful terahertz source by optical rectification in lithium niobate crystal

L. Guiramand, J. E. Nkeck+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 22被引用 7

一句话总结

本论文展示了一种近似最优、高功率的太赫兹（THz）源，利用锂铌酸钇晶体中的光学整流效应，得益于亚毫焦耳级镱激光器和一种新型阶梯镜脉冲压缩技术。该系统在聚焦处实现了53 mW的平均THz功率和310 kV/cm的电场强度，性能媲美毫焦耳级泵浦源，推动了室温下可及、高性能THz辐射的实现。

ABSTRACT

Using an affordable ytterbium laser with sub-mJ of energy combined with a novel pulse compression technique, we demonstrate an extremely competitive state-of-the-art terahertz (THz) source with 53 mW of average power and 310 kV/cm at focus from the tilted-pulse front pumping scheme in lithium niobate at room temperature. Key points of this demonstration include the use of a pump pulse duration of 280 fs in combination with an echelon mirror. Our results present unmatched combined characteristics and are highly competitive with the existing THz sources pumped at the mJ range. This demonstration is a step towards the democratization of access to intense and powerful THz pulses.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、高功率的太赫兹源，适用于广泛实验室应用。
• 克服传统太赫兹源依赖高能量（毫焦耳级）泵浦激光器的局限性。
• 在室温下利用锂铌酸钇中的光学整流效应，实现高强度、聚焦的太赫兹场。
• 证明亚毫焦耳级泵浦能量可产生与毫焦耳级系统相当的太赫兹输出。
• 通过可扩展、经济实惠的技术，推动高强度太赫兹源的普及化。

提出的方法

• 采用成本低廉的镱激光器，其脉冲能量低于1 mJ，作为泵浦源。
• 在锂铌酸钇中实施倾斜脉冲前缘泵浦方案，以增强相位匹配并提高太赫兹生成效率。
• 利用阶梯镜实现精确脉冲压缩，获得280 fs的泵浦脉冲宽度。
• 优化光学系统的几何结构与对准方式，以在保持室温运行的前提下最大化太赫兹输出。
• 在周期极化锂铌酸钇中应用光学整流效应，将超短激光脉冲转换为宽带太赫兹辐射。
• 通过校准的电光采样和场强传感器测量太赫兹输出，以量化功率和电场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚毫焦耳级激光源能否产生性能媲美毫焦耳级系统的太赫兹辐射？
• RQ2 在低泵浦能量下，锂铌酸钇中的倾斜脉冲前缘泵浦如何提升太赫兹生成效率？
• RQ3 在紧凑、室温运行的系统中，使用经济型激光器，太赫兹功率和电场强度的最大可实现值是多少？
• RQ4 脉冲压缩技术在提升低能量激光的太赫兹输出方面能发挥多大作用？
• RQ5 光学整流与脉冲前缘倾斜的结合能否实现可扩展、成本低廉的太赫兹源？

主要发现

• 该系统仅使用亚毫焦耳级泵浦能量，即实现了53 mW的平均太赫兹功率。
• 在聚焦处测得峰值电场强度为310 kV/cm，表明场强极高。
• 280 fs泵浦脉冲与阶梯镜的结合实现了有效的脉冲压缩，并增强了太赫兹生成效率。
• 尽管泵浦能量显著降低，该源的性能仍可与现有毫焦耳级太赫兹源相媲美。
• 该演示表明，利用经济、紧凑的激光系统，在室温下实现高功率太赫兹辐射是可行的。
• 结果标志着在标准实验室内普及高强度、高质量太赫兹源方面迈出了重要一步。