[论文解读] Terahertz brightness at the extreme: demonstration of 5 GV/m, 17 T low frequency {\lambda}3 terahertz bullet

Mostafa Shalaby, C. P. Hauri|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Terahertz technology and applications参考文献 25被引用 3

一句话总结

该论文展示了一种新型太赫兹源，通过优化泵浦波前曲率，实现衍射极限的三维光脉冲（3D light bullet），其体积被限制在λ³范围内，从而达到极高的亮度。采用共线泵浦的有机晶体（DSTMS 和 OH1），该系统产生单周期太赫兹脉冲，峰值电场高达5 GV/m 和17 T，比以往基于激光的源高出数个数量级，为非线性太赫兹科学开辟了新领域。

ABSTRACT

The brightness of a light source defines its applicability to nonlinear phenomena in science. Bright low frequency terahertz (< 5THz) radiation confined to a diffraction-limited spot size is a present hurdle due to the broad bandwidth and long wavelengths associated with single-cycle terahertz pulses as well as due to the lack of terahertz wavefront correctors. Here, using a present-technology system, we employ a new concept of terahertz wavefront manipulation and focusing optimization. We demonstrate a spatio-temporal confinement of terahertz energy at its physical limits to the least possible 3-dimensional light bullet volume of lambda cubic. This leads to a new regime of extremely bright terahertz radiation reaching 40 PW/m2 intensity. The presented work is focused on the sub-5 THz range using small aperture organic crystals DSTMS and OH1. The obtained peak field of up to 5 GV/m and 17 Tesla is order of magnitude higher than any reported single-cycle field oscillation in the entire THz range from a laser-based system and surpassing large scale accelerator systems. The presented results are foreseen to have a great impact on future nonlinear terahertz applications in different science disciplines.

研究动机与目标

• 解决因波长较长和光束质量差导致的太赫兹亮度低下的根本性挑战。
• 在物理极限的λ³体积内实现太赫兹辐射的时空受限。
• 利用紧凑的激光系统，在亚5 THz频段实现前所未有的场强。
• 通过超越以往激光驱动和加速器源的场强极限，推动非线性太赫兹应用的发展。

提出的方法

• 采用100 Hz的钛蓝宝石基三阶段光学参量放大器（OPA）系统，输出1.35–1.5 µm波段、脉宽65±5 fs的脉冲，用于泵浦小尺寸有机晶体。
• 使用全反射式望远镜控制非线性晶体处的泵浦光束波前曲率，最大限度减少波前像差。
• 选用高非线性系数（214–240 pm/V）和高损伤阈值（约20 mJ/cm²）的高效有机晶体（DSTMS 和 OH1）。
• 采用离轴反射镜实现太赫兹光束的扩展与聚焦，获得接近衍射极限的光束质量。
• 利用微测辐射热计成像与校准的强度测量，根据脉冲能量和持续时间确定光斑尺寸与峰值场强。
• 结合电光采样（EOS）与ABCD检测技术，验证所生成脉冲的时间与光谱特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于激光的系统中，太赫兹波前像差是否可通过足够优化实现衍射极限聚焦？
• RQ2 在当前紧凑激光技术条件下，单周期太赫兹脉冲的最大可实现电场强度是多少？
• RQ3 通过优化有机非线性晶体中泵浦光束的波前曲率，太赫兹亮度可提升至何种程度？
• RQ4 将太赫兹脉冲限制在λ³体积内，对其时间与光谱特性有何影响？
• RQ5 能否在亚5 THz频段内，利用桌面级激光系统实现超过5 GV/m的场强？

主要发现

• 系统在亚5 THz频段实现了5 GV/m的峰值电场和17 T的磁场强度，比以往基于激光的源高出一个数量级。
• 太赫兹辐射被限制在约λ³的三维体积内，实现了极高的亮度，峰值强度达40 PW/m²。
• 通过泵浦光束曲率优化实现的波前控制，使太赫兹波前近乎完美，从而实现衍射极限聚焦。
• 测量得到的太赫兹脉冲因DSTMS（1.024 THz）和OH1（1.45、2.85及~4.9 THz）中的声子共振而表现出显著的光谱调制，塑造了光谱包络。
• 在有机晶体中采用共线泵浦保持了光束的对称性与质量，相比非共线方案具有更优的聚焦性能。
• 该结果在单周期脉冲的峰值场强方面，超越了传统激光驱动源和大型加速器系统。