基于上述強場太赫茲源的發(fā)展，該綜述系統(tǒng)評述了其在多個科學(xué)前沿的變革性應(yīng)用

近期，中科院上海光機所宋立偉研究員等在美國物理聯(lián)合會旗艦期刊《Applied Physics Reviews》發(fā)表題為《強場太赫茲產(chǎn)生及其前沿應(yīng)用綜述》(Review of intense terahertz generation and its emerging applications)的綜述文章，系統(tǒng)梳理了強場太赫茲產(chǎn)生技術(shù)的最新進展，深入探討了其在強場物理、電子加速、量子物態(tài)調(diào)控等前沿領(lǐng)域的變革性應(yīng)用，并對強場太赫茲科學(xué)的未來發(fā)展作出展望。

近年來，隨著超強超短激光與太赫茲技術(shù)的深度融合，強場太赫茲光源的快速發(fā)展為各學(xué)科領(lǐng)域帶來新契機。研究團隊于2022年啟動了科技部重點研發(fā)專項“超快強激光泵浦強太赫茲源驅(qū)動材料與器件非平衡態(tài)研究”，圍繞極端太赫茲光場和非平衡物態(tài)的前沿展開研究。該綜述圍繞團隊系列進展進行全面梳理，強場太赫茲源方面包括：波前傾斜技術(shù)解決了鈮酸鋰晶體中嚴(yán)重的速度失配問題，在0.1-2THz實現(xiàn)單脈沖能量高達13.9mJ的太赫茲輻射，在平均功率上實現(xiàn)了數(shù)百mW輸出;有機晶體憑借其強非線性和共線相位匹配特性，可在紅外超短脈沖激光驅(qū)動下產(chǎn)生0.1-6THz寬帶強場太赫茲波，場強高達17MV/cm;基于光參量放大和差頻技術(shù)，可實現(xiàn)頻率4-40THz可調(diào)諧的強場太赫茲輸出。上述技術(shù)方案通過光學(xué)頻率下轉(zhuǎn)換，基本實現(xiàn)了全太赫茲頻段的強場輸出。

除非線性光學(xué)方案，該綜述重點展望了新興的太赫茲產(chǎn)生機制。例如，利用飛秒激光驅(qū)動的電子束可直接產(chǎn)生太赫茲輻射，包括渡越輻射、史密斯-珀塞爾輻射乃至自由電子激光。這些基于自由電子的方案不僅規(guī)避了晶體的損傷閾值限制，還能實現(xiàn)電子到太赫茲能量的高轉(zhuǎn)化效率。特別是基于金屬絲波導(dǎo)的太赫茲表面波放大機制，已成功實現(xiàn)mJ級太赫茲脈沖能量和GV/cm太赫茲場強，在極端強場太赫茲物理領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。此外，拓撲絕緣體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)被證明可高效利用超快自旋-電荷轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生太赫茲波，在無需外磁場的條件下實現(xiàn)高達650kV/cm的峰值場強，為片上集成太赫茲源開辟了新路。在太赫茲量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域，文章重點闡述了其在頻率梳及雙光梳光譜技術(shù)中的關(guān)鍵作用。通過四波混頻、克爾非線性與色散調(diào)控，太赫茲量子級聯(lián)激光器可實現(xiàn)寬譜的頻率梳運行，為高精度太赫茲光譜學(xué)和實時化學(xué)監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

在物態(tài)調(diào)控方面，強場太赫茲脈沖可誘導(dǎo)瞬態(tài)極化、產(chǎn)生太赫茲場致二次諧波，從而探測并操控鐵電開關(guān)、軟模聲子激發(fā)等非平衡態(tài)過程。更重要的是，通過聲子非線性機制，太赫茲場可選擇性激發(fā)特定紅外活性聲子，并利用聲子間的非諧耦合驅(qū)動材料發(fā)生瞬態(tài)相變。文章指出，利用這一機制已在鈮酸鋰中實現(xiàn)鐵電極化反轉(zhuǎn)，在鈦酸鍶等量子順電體中誘發(fā)鐵電相，并在稀土正鐵氧體等材料中實現(xiàn)了光學(xué)誘導(dǎo)磁矩，為超快物態(tài)調(diào)控提供了全新范式。

在超快電子學(xué)領(lǐng)域，強場太赫茲波正推動電子加速與操控技術(shù)走向小型化與集成化。文章綜述了基于介質(zhì)或金屬波導(dǎo)的太赫茲加速方案，通過實現(xiàn)太赫茲表面等離激元與電子束的協(xié)同傳輸，已在5mm相互作用長度內(nèi)實現(xiàn)了1.1MeV的能量增益，等效加速梯度高達210MV/m。同時，利用單周期太赫茲脈沖驅(qū)動石墨針尖，借助波形不對稱性與納米近場梯度的協(xié)同作用，有效抑制了導(dǎo)致電子能譜混疊的再散射過程，實現(xiàn)了從電子能譜中直接提取時間信息，成功重構(gòu)出與場發(fā)射理論高度吻合飛秒的電子脈沖。

展望未來，文章指出強場太赫茲科學(xué)技術(shù)正經(jīng)歷從“源驅(qū)動”向“應(yīng)用牽引”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型。在源技術(shù)層面，發(fā)展新型非線性與拓撲材料、優(yōu)化熱管理及相位匹配方案將是提升功率與效率的核心。在應(yīng)用層面，強場太赫茲技術(shù)將不僅停留于對非線性現(xiàn)象的觀測，而是邁向?qū)Σ牧狭孔討B(tài)和相變的主動閉環(huán)調(diào)控。同時，結(jié)合太赫茲波與X射線、電子束的多模態(tài)探測，將在飛秒至皮秒時域內(nèi)實現(xiàn)從原子核到電子的全維度動力學(xué)研究。隨著實驗室突破不斷向生物醫(yī)學(xué)檢測、無損探傷、先進制造等實際應(yīng)用場景轉(zhuǎn)化，強場太赫茲技術(shù)必將在基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)與前沿技術(shù)創(chuàng)新中發(fā)揮日益關(guān)鍵的作用。

本工作中，上海光機所宋立偉研究員為第一作者，冷雨欣研究員和李儒新院士為共同作者，田野研究員、北京航空航天大學(xué)吳曉君教授、上海微系統(tǒng)所黎華研究員為共同通訊作者。相關(guān)研究得到了基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團隊等項目資助。

審核編輯 黃宇