“強(qiáng)場(chǎng)太赫茲光譜測(cè)量科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用”

一、研究背景

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光能夠產(chǎn)生高能量密度的非平衡物理狀態(tài)。溫稠密物質(zhì)的直流電導(dǎo)率是研究該物質(zhì)結(jié)構(gòu)、輻射性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，但是在大型高能量密度裝置上獲取溫稠密物質(zhì)時(shí)間分辨的電導(dǎo)率還面臨著巨大挑戰(zhàn)。用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)診斷均勻溫稠密物質(zhì)狀態(tài)在實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)主要來自于兩個(gè)方面：一是缺乏強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源。溫稠密物質(zhì)是一種與固體具有相同密度的等離子體，太赫茲電場(chǎng)在該物質(zhì)中的透過率往往在1%量級(jí)，只有強(qiáng)太赫茲場(chǎng)透過溫稠密物質(zhì)樣品后的太赫茲波形才有可能被探測(cè)到。二是缺乏單發(fā)太赫茲波形探測(cè)手段。低重復(fù)頻率、高脈沖能量的超快激光產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)的過程是破壞性的、不可重復(fù)的，溫稠密物質(zhì)電導(dǎo)率信息包含在透射的一個(gè)太赫茲脈沖上，因而必須發(fā)展單發(fā)太赫茲波形探測(cè)技術(shù)。

二、創(chuàng)新工作

針對(duì)大型激光裝置低重復(fù)頻率、高能量泵浦的破壞性、非平衡瞬態(tài)診斷需求，國(guó)防科技大學(xué)強(qiáng)場(chǎng)超快物理研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并搭建了強(qiáng)激光泵浦-太赫茲波探測(cè)系統(tǒng)。用反射式階梯鏡替代傳統(tǒng)電光采樣光路中的平面反射鏡，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波形的單發(fā)探測(cè)。在中國(guó)工程物理研究院等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的45 TW 鈦寶石飛秒激光裝置上，通過單發(fā)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)獲得了溫稠密金在太赫茲波段時(shí)間分辨的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，為建立準(zhǔn)確的溫稠密物質(zhì)的理論模型提供了校驗(yàn)基準(zhǔn)。

光泵浦-太赫茲波形單發(fā)探測(cè)系統(tǒng)如圖1（a）所展示。該系統(tǒng)分為太赫茲脈沖與溫稠密物質(zhì)產(chǎn)生、太赫茲波形單發(fā)探測(cè)兩個(gè)模塊。這兩個(gè)模塊分別集成到兩塊面包板上，前者放置于真空腔體內(nèi)，后者放置于大氣環(huán)境中，移動(dòng)便捷，安裝簡(jiǎn)單，可適應(yīng)不同的激光裝置使用場(chǎng)景。400 nm激光脈沖泵浦30 nm自支撐金膜產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)狀態(tài)，焦耳量級(jí)的脈沖能量泵浦直徑為3英寸的鈮酸鋰晶片通過光整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲脈沖。脈沖能量為7 μJ的太赫茲脈沖能量能夠測(cè)量到室溫下30 nm厚金膜的透射太赫茲光譜。太赫茲脈沖與泵浦光共線傳播，便于光路調(diào)節(jié)。圖1（b）、（c）分別展示了利用 800 nm 激光作為光源對(duì)金膜進(jìn)行反射與透射照像的結(jié)果，結(jié)果顯示金膜表面質(zhì)量較好。圖1（d）展示了光泵浦-太赫茲探測(cè)的空間分布，泵浦光斜入射，太赫茲正入射。

圖1 光泵浦-太赫茲波形單發(fā)探測(cè)系統(tǒng)示意圖

研究團(tuán)隊(duì)首先在實(shí)驗(yàn)室4 mJ桌面級(jí)飛秒激光上驗(yàn)證了該系統(tǒng)單發(fā)太赫茲波形探測(cè)能力，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果證明本系統(tǒng)單發(fā)探測(cè)獲得的太赫茲波形和傳統(tǒng)多發(fā)掃描獲得的波形基本一致。

圖2 單發(fā)探測(cè)與傳統(tǒng)多發(fā)掃描探測(cè)的太赫茲波形對(duì)比。（a）有太赫茲的單發(fā)信號(hào)；（b）無太赫茲的單發(fā)背景信號(hào)；（c）單發(fā)太赫茲調(diào)制信號(hào)；（d）由（c）縱向積分得到的單發(fā)波形和傳統(tǒng)多發(fā)掃描波形的對(duì)比

通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)光脈沖寬度，利用厚度為1 mm的鈮酸鋰晶片共線光整流在非相位匹配的情況下獲得了單脈沖能量為7 μJ的太赫茲脈沖，太赫茲能量轉(zhuǎn)換效率約為7×10-6，結(jié)果如圖3所示。

圖3 太赫茲脈沖能量表征

鈦寶石激光的基頻輸出通過KDP倍頻晶體產(chǎn)生400 nm飛秒激光，加熱圖1（b）所展示的30 nm金膜產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)狀態(tài)，通過太赫茲波形單發(fā)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的溫稠密金時(shí)間分辨的電導(dǎo)率結(jié)果如圖4所示。金膜5d電子吸收400 nm（3.1 eV）泵浦光子，電子溫度在亞皮秒時(shí)間內(nèi)從室溫上升到10000 K以上，導(dǎo)致太赫茲透過率在最初的3 ps內(nèi)急劇上升（電導(dǎo)率急劇下降），此時(shí)離子溫度仍保持在室溫。接著，高溫的電子系統(tǒng)向低溫的離子系統(tǒng)傳輸能量。隨著離子溫度升高，太赫茲透過率緩慢上升（電導(dǎo)率緩慢下降）。借助雙溫模型，利用太赫茲透過率的躍變幅度，可以診斷激光脈沖結(jié)束后電子的溫度；利用太赫茲透過率的緩慢上升，可以診斷溫稠密物質(zhì)電子-離子的耦合系數(shù)。

圖4 溫稠密金電導(dǎo)率σ0和太赫茲透過率隨泵浦延時(shí)的變化（負(fù)延時(shí)表示太赫茲先于泵浦光到達(dá)金膜），圖中實(shí)線為雙指數(shù)擬合得到的電導(dǎo)率隨泵浦延時(shí)的變化，五角星數(shù)據(jù)點(diǎn)表示室溫下（300 K）金的直流電導(dǎo)率，σdc bulk=4.403×107 S/m

三、總結(jié)

太赫茲波為高能量密度物理提供了一個(gè)獨(dú)特的探針?；诖笮透吣芰棵芏妊b置產(chǎn)生的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲脈沖以及太赫茲波形單發(fā)探測(cè)技術(shù)，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)能夠診斷溫稠密物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。國(guó)防科技大學(xué)強(qiáng)場(chǎng)超快研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了強(qiáng)激光泵浦-單發(fā)太赫茲時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)在45 TW激光裝置上測(cè)量了溫稠密金在太赫茲波段的時(shí)間分辨的電導(dǎo)率，為非平衡物態(tài)提供了新的診斷工具。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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