圖1?不同重復頻率下的光絲產(chǎn)生太赫茲光束指向分布云圖。(a)200Hz，(b)250Hz，(c)500Hz，(d)1000Hz;(e)光束指向平均偏差距離(藍色實線)和其誤差(藍色陰影)隨激光重復頻率變化的函數(shù)。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室研究團隊在高重頻空氣飛秒光絲太赫茲輻射脈沖空間特性及其調(diào)制研究方面取得進展，系統(tǒng)揭示重頻對激光光絲THz輻射空間指向特性的影響規(guī)律，提出外加直流電場的調(diào)控方法，實現(xiàn)了對高重頻THz輻射空間指向穩(wěn)定性的顯著提升。相關(guān)研究結(jié)果以“Spatial characteristics and modulation of terahertz pulse from femtosecond laser air filament at high repetition rates”為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

近年來，高重復頻率超快強激光技術(shù)快速發(fā)展，高重頻下激光光絲存在顯著的空間指向抖動問題，這一核心技術(shù)瓶頸限制了基于光絲的太赫茲源的應(yīng)用，已成為當前該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為系統(tǒng)研究激光重復頻率對光絲太赫茲輻射的空間指向特性影響，本研究通過光絲輻射THz光斑直接成像技術(shù)結(jié)合統(tǒng)計學分析方法，對THz輻射的空間指向穩(wěn)定性進行定量化評估。實驗結(jié)果清晰表明：隨著激光重復頻率的升高，光絲輻射的THz空間指向分布范圍呈現(xiàn)明顯擴張趨勢，光束空間指向的穩(wěn)定性持續(xù)下降。上述現(xiàn)象的根源在于高重頻飛秒激光成絲過程脈沖累加的熱致擾動。

圖2 不同重頻下光絲產(chǎn)生太赫茲指向抖動隨外加直流電場電壓的變化關(guān)系：(a)200 Hz，(b)250 Hz，(c)500 Hz，(d)1000 Hz;(e)有無外加直流電場下1000Hz光絲產(chǎn)生太赫茲輻射的指向分布;(f)光絲產(chǎn)生太赫茲指向抖動降低率。

針對上述問題，本研究提出在光絲形成區(qū)域施加外部直流電場，實現(xiàn)了對THz輻射空間指向穩(wěn)定性的顯著提升。外部直流電場通過庫侖作用顯著抑制等離子體中電子和離子的復合過程，減少了復合熱能釋放量，從而削弱空氣湍流的產(chǎn)生強度與累積效應(yīng)，從根源上降低高重頻光絲脈沖累加熱致湍流對光絲傳播及THz輻射指向的干擾。本研究為構(gòu)建穩(wěn)定的高重頻寬帶THz源奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，有望推動高重頻THz技術(shù)在高精度無損檢測、動態(tài)生物成像、高速THz通信等方面的應(yīng)用。

相關(guān)研究得到國家自然科學基金、上海市科技計劃、中國科學院國際合作重點項目等資助。

審核編輯 黃宇