1 kHz重复频率氩气中的蓝宝石飞秒激光丝化

长三角G60激光联盟导读

光电进展的一份新出版物考虑了在气体介质中以1kHz产生的超过20μJ的THz激光脉冲。

近20年来，太赫兹(THz)科学技术在安全成像、医疗诊断、军事、无线通信和天 学等领域具有广阔的应用前景，受到了世界各国科研人员的广泛关注。然而，在上述领域，大功率宽带太赫兹辐射源的研制一直是一项具有挑战性的任务。

在各种太赫兹辐射源中，基于飞秒激光灯丝的太赫兹辐射源具有宽频带(~200 THz)、幅值高(100 MV/cm)、损伤阈值不受限制等优点。此外，基于飞秒激光细丝化的太赫兹产生方法将太赫兹波限制在细丝内，可以消除太赫兹波在大气中传播时的衍射和吸收，使太赫兹波的远程传输成为可能。

图2气体中丝状化产生高能太赫兹脉冲的实验装置。

基于双色飞秒激光丝化的太赫兹产生方案比使用单色飞秒激光的方案具有更高的能量转换效率。在该方案中，双色场的时间延迟、色散、偏振、波长、空间偏离等激光参数可以影响太赫兹辐射的强度、带宽、偏振等特性。甚至周围的气体种类也起着至关重要的作用。为了研制高效的太赫兹辐射源，需要对这些参数进行精心的设计和操作。

图3输出太赫兹脉冲能量随（a）不同气体中的泵浦激光能量和（b）α-BBO倾斜角（下轴）的变化，即氩中基波和二次谐波激光束（上轴）之间的时间延迟。

由南开大学Weiwei Liu教授领导的研究小组利用单脉冲能量为6 mJ的飞秒激光，通过β-BBO晶体，将基波激光倍频产生双色激光丝化。双色激光束通过倾斜的α-BBO晶体实现了完美的时空重叠。同时，利用双波长板使双色激光束具有相同的偏振。激光灯丝在氩气中产生的太赫兹脉冲能量可达21 μJ，对应的太赫兹转换效率可达0.35%。

实验研究了环境气体种类对双色激光丝化太赫兹产生效率的影响。实验结果表明，在氩气中太赫兹辐射的转换效率最高。研究了α-BBO的倾斜角与氩中产生的太赫兹功率的关系。具有最佳倾斜角度和预先设计厚度的α-BBO可以同时补偿双色激光束的时间延迟和空间走差，对提高太赫兹波产生效率起着至关重要的作用。本研究工作在双色飞秒激光长丝产生太赫兹波的能量转换效率方面取得了突破，对高强度太赫兹光源的研究以及强太赫兹光束与材料相互作用的探索具有重要意义。

图4 （a）氩中各种能量太赫兹脉冲的自相关轨迹和（b）光谱。