“强场太赫兹科学、技术与应用”专题前言
——吴晓君
[摘要]强场太赫兹电磁脉冲具有高峰值电场、强峰值磁场、超快时间分辨、独特频率优势、低光子能量等特性，是操控电子轨道、调控电子自旋、激励声子振动、诱导分子谐振、研究强场效应、研发高频器件、促进工程应用等宏微交替研究的强大的光电磁手段和工具，在量子信息、电子加速、生物医学、无线通信、隐身测量、电磁效应等领域中已展现出重要的应用价值，是世界科技大国竞相抢占的战略制高点...
查看详情中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心
[摘要]基于超快超强激光的强场太赫兹辐射源通常具有较低的重复频率，此类辐射源的表征和应用对太赫兹时域波形和频谱测量技术提出了新要求。介绍了中国科学院物理研究所光物理重点实验室发展的几种针对太赫兹脉冲时域波形和频谱的单发测量系统，重点讨论了每种方案的设计原理和特点。这些单发探测方案适用于低重复频率的强场太赫兹脉冲源，有助于准确表征太赫兹辐射性质、深入理解太赫兹产生机制、拓展强场太赫兹应用范围。
天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心
[摘要]纳米尺度上的超快动力学研究对现代纳米技术的应用具有重要的指导意义。太赫兹辐射在电磁波谱中独特的位置使其被广泛应用于各种物性的研究。然而衍射极限的存在限制了太赫兹辐射在纳米和亚纳米尺度上的应用。为了应对这一挑战，太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）应运而生。通过原子级针尖来增强并束缚住太赫兹辐射，将太赫兹成像的空间分辨率提升了多达6个数量级。为了进一步推动国内THz-STM相关研究的发展，重点介绍了THz-STM的发展历程、基本原理、系统构成以及潜在应用，包括在半导体和单分子中的超快动力学研究，并对该领域的下一步发展进行了展望。
济南大学前沿交叉科学研究院
[摘要]高能强场太赫兹（THz）源在国土安全、通信雷达、生物医疗等领域有重要的应用价值。然而，一直以来THz源的辐射输出能量小、转化效率低，阻碍了强场THz前沿科学与应用研究的发展。基于铌酸锂倾斜波前技术，飞秒激光抽运铌酸锂晶体有望实现能量更高的极端强场THz输出。从材料角度阐述了铌酸锂强场THz源产出的研究进展，总结了强场THz源对铌酸锂晶体的性能要求：均匀掺镁铌酸锂、低浓度掺镁近化学计量比铌酸锂、大口径铌酸锂晶体。最后，介绍了近年来周期极化铌酸锂和铌酸锂单晶薄膜等微纳结构的调控在THz源领域的应用研究。
南开大学物理科学学院&泰达应用物理研究院弱光非线性光子学教育部重点实验室
[摘要]太赫兹波与离子晶体中光学声子耦合形成的受激声子极化激元，为太赫兹波在晶体材料中的传输调控和非线性增强提供了有效途径，进而为强场太赫兹科学技术的发展开辟了新的可能性。从物理概念、实验方案、调控手段等方面简要回顾了受激声子极化激元相关的研究进展，分析了受激声子极化激元作用下太赫兹波对光与物质相互作用机制的影响，展望了受激声子极化激元在未来强场太赫兹科学技术中的发展潜力与应用前景。
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室
[摘要]太赫兹源是太赫兹科学技术发展和相关应用研究的基础。超快激光为太赫兹的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源。超快激光泵浦各种激发介质可以产生太赫兹波，激发介质主要有4类：1）固体介质，如光电导天线、晶体等；2）气体介质，如空气；3）液体介质，如液态水、液态镓、液氮等；4）等离子体介质，如钛薄膜、金属铜箔。太赫兹场强的进一步提高催生了人们对强场太赫兹与物质的相互作用以及太赫兹非线性光谱学的研究，太赫兹不仅能作为探测物性的手段，其发射光谱亦可以实现对材料中非平衡态载流子与晶格、自旋等有序度的强耦合。本文综述了超快激光激发数种不同类型介质产生太赫兹源的国内外研究发展历程，包括其工作原理以及目前存在的问题，总结了目前强场太赫兹波在物态调控方面的应用，以及太赫兹时间分辨光谱在新型物态探测方面的应用，最后展望了太赫兹源未来的发展趋势和应用前景。
首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室
[摘要]由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收，以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法，此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度，可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程，因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系，这使得此方法具有良好的稳定性，并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高，可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收，提高探测灵敏度，这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。
上海工程技术大学机械与汽车工程学院
[摘要]飞秒激光聚焦在空气中能够产生高能量超宽带的太赫兹辐射，这种强场太赫兹辐射在物态操控、太赫兹通信、生物医学成像等领域具有重要的应用价值。采用双色乃至多色激光场是提高气体等离子体中太赫兹辐射强度的关键路径之一。本文回顾了多色场驱动空气等离子体太赫兹辐射源的发展历程，按照单色场、双色场到三色场的发展脉络，从实验方案、理论原理、优化探索三方面综述了国内外多色飞秒光场驱动气体等离子体太赫兹辐射的研究现状和最新成果，并对该方向的未来发展进行了展望。
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室
[摘要]粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m 的加速梯度，面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战，同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此，寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段，太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m 量级的加速梯度，近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控（如脉宽压缩、空间聚焦等），并演示了级联加速方案，为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来，集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能，并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展，梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展，介绍了相干电子源和束流控制的相关技术，并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。
北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室
[摘要]太赫兹源在无线通信、光谱学、生物医学成像和材料科学等领域具有极高的应用价值。近年来，对高品质强太赫兹源的需求更为迫切，而有效产生高品质强太赫兹源仍然是太赫兹科学中的关键科学问题。概述了几种激光太赫兹源的产生机制以及发展现状：非线性晶体可以高效率产生太赫兹源，但受到晶体能量损伤阈值限制，难于在超强激光条件下工作；气体等离子体太赫兹源可以突破电离阈值的限制，但太赫兹能量会随着激光强度的升高而饱和，无法进一步提升太赫兹的场强；固体靶等离子体是相对论电子在等离子体中动力学行为产生的超强太赫兹辐射，并且可以通过结构靶等方式调制太赫兹品质，有望高效率地产生高品质强太赫兹源。最后，总结和展望了太赫兹源在应用领域的发展趋势。
上海理工大学太赫兹技术创新研究院
[摘要]飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性，其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域，本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输，即“太赫兹波空间强束缚效应”，并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型，为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心，综述了本课题组近年来的一系列研究工作，包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等，并对未来的工作进行了展望。
广东大湾区空天信息研究院
[摘要]强场太赫兹波具有高的峰值功率，相应地，其电磁场分量强度也很大。当强场太赫兹辐照物质表面时，会诱发一系列新奇的反常变化，受到人们的广泛关注。本文首先介绍了常见的一些强场太赫兹发射源，如光电导天线、光学整流晶体、超材料等，随后介绍了强场太赫兹技术在物态调控方面的一些典型应用，主要包括强场驱动热载流子运动、相干电子或声子调控、强场自旋电子学、太赫兹荧光发射、太赫兹克尔效应、生物医学等。
北京航空航天大学电子信息工程学院
[摘要]强场太赫兹（THz）时域光谱技术在强场THz科学技术与应用中具有重要作用，材料、物理、化学、生物等领域诸多涉及强场THz与物质强非线性相互作用的研究都离不开强场THz时域光谱技术。然而，受限于高效率、高光束质量、高稳定性、高重复频率强场THz辐射源的性能，强场THz时域非线性光谱技术发展缓慢。针对强场THz非线性光谱技术及其潜在应用中存在的难题与挑战，在商用kHz钛宝石激光器的驱动下，笔者设计并实现了一套基于铌酸锂倾斜波前技术产生强场THz的高度集成化时域光谱系统。在3 mJ激光能量泵浦下，利用该系统在室温下实现了单脉冲能量为6.5 μJ、峰值场强约为350 kV/cm的THz强场产生，该系统具备强场THz非线性光谱测试、THz泵浦‑THz探测、光泵浦‑THz探测、THz发射谱测量等多种超快时间分辨测量功能，是研究强场THz非线性效应的有效实验手段。
国防科技大学理学院
[摘要]太赫兹波为高能量密度物质提供了独一无二的诊断手段，但在大型高能量密度装置上实现极端条件下物质状态的太赫兹时域光谱诊断技术仍面临巨大挑战。本文报道了在低重复频率、高能量激光装置上开展的光脉冲泵浦-太赫兹探测实验。利用钛宝石飞秒激光器输出焦耳量级的单发脉冲，单发脉冲经磷酸二氢钾倍频后加热30 nm厚自支撑金膜，产生均匀的温稠密金等离子体；同时，将大孔径铌酸锂晶片通过光整流产生的单脉冲能量为7 μJ的太赫兹脉冲作为探测光，利用金属阶梯镜实现了单发太赫兹波形探测，获得了温稠密金在太赫兹波段的时间分辨的电导率数据，为检验双温模型中电子-离子耦合系数等关键参数的准确性提供了新基准。
层状高温超导体中约瑟夫森等离子体模式太赫兹二维相干光谱的理论研究
中国科学院物理研究所，凝聚态理论与计算重点实验室
[摘要]研究了层状高温超导体中约瑟夫森等离子体模式对电场的非线性响应及对应的太赫兹二维相干光谱。从半经典有效模型出发，推导出了约瑟夫森相位的运动方程。通过求解这一运动方程，发现太赫兹二维相干光谱中存在“泵浦-探测”信号、回波信号、失相信号和双量子相干信号。进一步将这些信号与刘维尔路径联系起来，说明体系的具体激发过程，并借此说明这些信号的潜在应用。
南京大学电子科学与工程学院，超导电子学研究所
[摘要]提出了一种在超表面中嵌入二氧化钒（VO2）从而对太赫兹波进行动态调控的方法。VO2在68 ℃左右会发生绝缘体到金属的相变，导致其电导率发生4~5个数量级的显著变化。超表面由一个双开口金属谐振环阵列以及金属环开口处嵌入的VO2结构组成。仿真结果表明，通过改变VO2的电导率，太赫兹波可以实现高频与低频之间的谐振模式的切换。值得注意的是，这种模式转换不仅可以在实验中通过直接改变环境温度实现，还可以通过激光和强场太赫兹的泵浦完成。这种多样化的激励为该超表面在实际多场景应用中动态调控太赫兹波提供了参考。
中国科学院物理研究所
[摘要]使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs（112）晶面的不同晶向时，强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应，这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极化来定量地解释，其中较大的zzzz分量可能起着重要的作用。
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室
[摘要]太赫兹波具有非电离、对非极性物质穿透性高、对氢键等弱共振敏感等特性，是生物、材料、化学等领域的重要研究对象。蛋白质、糖类等生物大分子的转动频率和基团的振动频率以及分子之间弱相互作用的特征频率恰好处于太赫兹频段，这赋予了太赫兹光谱技术在生物医学领域中极大的发展潜力。然而，由于待测物尺寸一般小于太赫兹波长（0.03~3.00 mm），微量的待测物难以引起谱线的改变，太赫兹光谱检测灵敏度较低。能够灵活操控电磁波特性的超材料为解决上述问题提供了新的思路，通过设计不同的结构及参数，能够得到谐振频率位于太赫兹波段的超材料，微量的待测物即可引起谱线的明显变化。基于共振型太赫兹超材料构建了牛血清白蛋白（BSA）传感器，实验结果表明，当BSA溶液的体积质量为2.0~8.0 mg/mL时，传感器共振频率偏移量与溶液浓度呈线性关系，传感器的最低浓度检测限为0.3 mg/mL。
上海大学物理系
[摘要]为探索单周期或亚周期的强场太赫兹脉冲抽运下各种材料的非线性光学响应，基于铌酸锂（LiNbO3）晶体，采用飞秒脉冲倾斜波前技术，获得了单脉冲能量为2.6 μJ、峰值场强为632 kV/cm的强太赫兹脉冲输出，并在该辐射源的基础上搭建了太赫兹抽运-光探测系统。利用该系统研究了硒化镓（GaSe）晶体的非线性光学响应，观测到亚周期的太赫兹脉冲诱导的光学双折射，其引起的相位变化与普克尔斯效应和克尔效应相关。研究结果为强场太赫兹抽运下介质的非线性效应分析提供了思路，为材料的电光系数和非线性折射率系数的测定提供了借鉴。
中国工程物理研究院应用电子学研究所
[摘要]中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置，在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）基础上，拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器，将电子能量提升至最大50 MeV，输出频率覆盖范围拓展至0.1~125 THz，最大宏脉冲功率大于100 W。同时，采用跑道型束线设计，拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。
