一、研究背景

隨著激光技術的發(fā)展，激光能夠產生高能量密度的非平衡物理狀態(tài)。溫稠密物質的直流電導率是研究該物質結構、輻射性質和動力學的重要參數，但是在大型高能量密度裝置上獲取溫稠密物質時間分辨的電導率還面臨著巨大挑戰(zhàn)。用太赫茲時域光譜技術診斷均勻溫稠密物質狀態(tài)在實驗上的挑戰(zhàn)主要來自于兩個方面：一是缺乏強場太赫茲源。溫稠密物質是一種與固體具有相同密度的等離子體，太赫茲電場在該物質中的透過率往往在1%量級，只有強太赫茲場透過溫稠密物質樣品后的太赫茲波形才有可能被探測到。二是缺乏單發(fā)太赫茲波形探測手段。低重復頻率、高脈沖能量的超快激光產生溫稠密物質的過程是破壞性的、不可重復的，溫稠密物質電導率信息包含在透射的一個太赫茲脈沖上，因而必須發(fā)展單發(fā)太赫茲波形探測技術。

二、創(chuàng)新工作

針對大型激光裝置低重復頻率、高能量泵浦的破壞性、非平衡瞬態(tài)診斷需求，國防科技大學強場超快物理研究團隊自主設計并搭建了強激光泵浦-太赫茲波探測系統(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，實現了太赫茲波形的單發(fā)探測。在中國工程物理研究院等離子體物理重點實驗室的45 TW 鈦寶石飛秒激光裝置上，通過單發(fā)太赫茲時域光譜技術獲得了溫稠密金在太赫茲波段時間分辨的電導率數據，為建立準確的溫稠密物質的理論模型提供了校驗基準。

光泵浦-太赫茲波形單發(fā)探測系統(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產生、太赫茲波形單發(fā)探測兩個模塊。這兩個模塊分別集成到兩塊面包板上，前者放置于真空腔體內，后者放置于大氣環(huán)境中，移動便捷，安裝簡單，可適應不同的激光裝置使用場景。400 nm激光脈沖泵浦30 nm自支撐金膜產生溫稠密物質狀態(tài)，焦耳量級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產生太赫茲脈沖。脈沖能量為7 μJ的太赫茲脈沖能量能夠測量到室溫下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，便于光路調節(jié)。圖1（b）、（c）分別展示了利用 800 nm 激光作為光源對金膜進行反射與透射照像的結果，結果顯示金膜表面質量較好。圖1（d）展示了光泵浦-太赫茲探測的空間分布，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)探測系統(tǒng)示意圖

研究團隊首先在實驗室4 mJ桌面級飛秒激光上驗證了該系統(tǒng)單發(fā)太赫茲波形探測能力，結果如圖2所示。結果證明本系統(tǒng)單發(fā)探測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)探測與傳統(tǒng)多發(fā)掃描探測的太赫茲波形對比。（a）有太赫茲的單發(fā)信號；（b）無太赫茲的單發(fā)背景信號；（c）單發(fā)太赫茲調制信號；（d）由（c）縱向積分得到的單發(fā)波形和傳統(tǒng)多發(fā)掃描波形的對比

通過優(yōu)化驅動光脈沖寬度，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，太赫茲能量轉換效率約為7×10-6，結果如圖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倍頻晶體產生400 nm飛秒激光，加熱圖1（b）所展示的30 nm金膜產生溫稠密物質狀態(tài)，通過太赫茲波形單發(fā)探測系統(tǒng)測量的溫稠密金時間分辨的電導率結果如圖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間內從室溫上升到10000 K以上，導致太赫茲透過率在最初的3 ps內急劇上升（電導率急劇下降），此時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電子-離子的耦合系數。

圖4 溫稠密金電導率σ0和太赫茲透過率隨泵浦延時的變化（負延時表示太赫茲先于泵浦光到達金膜），圖中實線為雙指數擬合得到的電導率隨泵浦延時的變化，五角星數據點表示室溫下（300 K）金的直流電導率，σdc bulk=4.403×107 S/m

三、總結

太赫茲波為高能量密度物理提供了一個獨特的探針。基于大型高能量密度裝置產生的強場太赫茲脈沖以及太赫茲波形單發(fā)探測技術，太赫茲時域光譜技術能夠診斷溫稠密物質的結構和輸運特性。國防科技大學強場超快研究團隊設計搭建了強激光泵浦-單發(fā)太赫茲時域光譜探測系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)在45 TW激光裝置上測量了溫稠密金在太赫茲波段的時間分辨的電導率，為非平衡物態(tài)提供了新的診斷工具。

參考文獻： 中國光學期刊網

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