1 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，上海 200093
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
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。
中国激光
2023, 50(17): 1714010
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
3 莱仪特太赫兹（天津）科技有限公司, 天津 300019
太赫兹光谱成像, 不但包括在二维图像空间的强度信息, 同时可以得到太赫兹波段的光谱信息, 构成了一个三维的数据矩阵。 由于受到太赫兹成像系统内部硬件的限制和影响, 太赫兹频域较高频段处信号存在能量弱、 信噪比低的特点, 导致所成的太赫兹图像普遍存在分辨率低、 对比度低等问题。 因此, 利用三维数据矩阵, 应用适合的算法, 实现了提高太赫兹光谱成像空间分辨率、 边缘细节可见度的目的。 搭建了三维可移动式太赫兹时域光谱成像系统, 实现了对标准高分辨率板的二维扫描。 对该系统所采集到的信号分别进行时域、 频域等多种方式成像对比, 结合瑞利判据和分辨率标尺对成像系统的空间分辨率、 景深进行标定, 研究了提高太赫兹光谱成像的空间分辨率算法。 然后, 针对太赫兹频域高频区域信噪比低、 对比度低、 噪声原因复杂的特点, 结合深度残差学习的图像去噪理论, 提出了太赫兹图像深度去噪网络, 在训练集中引入成像系统中真实的“太赫兹残差噪声”。 最后, 利用所训练出的模型对太赫兹频域高频区域图像进行盲去噪, 并用重建图像分别与原始成像结果和传统太赫兹去噪算法结果进行比较, 分别从主观和客观两个方面评价了不同算法对太赫兹频域高频图像的去噪效果。 实验结果表明, 通过该算法实现了极限空间分辨率约为157 μm, 去噪后图像极限空间分辨率处的瑞利判据鞍-峰比约为0.623, 图像整体对比度为46.635; 空间分辨率相比传统成像方法提高了约一倍, 对比度提高约26%。 研究结果为高空间分辨率高可见度的太赫兹光谱成像方式提供了一种新的规范, 并针对太赫兹频域较高频区域的图像噪声问题提供了一种新的解决方案。
太赫兹光谱成像 空间分辨率 图像去噪 深度卷积神经网络 Terahertz spectral imaging Spatial resolution Image denoising Deep learning
1 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 天津大学 太赫兹波研究中心及精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
4 上海科技大学 大科学中心和物理科学与技术学院, 上海 201210
提出了一种光泵浦太赫兹探测技术的改进方案, 使用双色飞秒激光场电离空气诱导等离子体辐射的超短宽带太赫兹脉冲作为探测脉冲, 表征了硅的光激发动力学, 通过表征过程验证了基于所提改进方案的光泵浦太赫兹探测系统的性能。硅的泵浦深度随泵浦功率的增加而提高, 400nm泵浦光的泵浦深度大于800nm泵浦光。使用400nm泵浦光, p掺杂硅的泵浦深度最大, 本征硅次之, n掺杂硅最小; 而使用800nm泵浦光, p掺杂硅的泵浦深度最大, n掺杂硅次之, 本征硅最小。此外, 基于探测脉冲的超宽带宽和超短脉宽, 还观测到了p掺杂硅中的亚皮秒激发态声子波包振荡。
太赫兹 光泵浦太赫兹探测 硅 太赫兹时间分辨光谱 声子波包 terahertz optical pump terahertz probe Si time-resolved terahertz spectroscopy phonon wavepacket
1 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
2 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心, 天津 300072
将冷原子、超快和强激光技术结合,本课题组最近成功研发了一种新型磁光阱反冲离子动量谱仪(MOTRIMS)装置。介绍了MOTRIMS工作原理,使用吸收成像法和光电离法对靶的密度、温度和速度进行分析标定,得到三维MOT靶的温度为(130±30) μK,速度为(0.1±0.1) m/s,密度约为10 9 atom/cm 3,二维MOT和molasses靶的密度分别约为10 7 atom/cm 3和10 8 atom/cm 3。对比热蒸气靶,在离子飞行方向上冷原子靶的动量分辨率提高了约14倍,飞行时间谱的质量分辨率高达3000。利用800 nm飞秒激光探测Rb +的三维动量分布,在低激光强度10 11 W/cm 2下观测到明显的阈上电离现象,表明铷原子有很大的阈上电离截面。MOTRIMS具有高分辨离子动量分布全空间成像能力,是研究金属原子强场量子微观动力学的新工具。
原子与分子物理学 磁光阱反冲离子动量谱仪 离子高分辨动量分布 铷原子激光冷却 强场电离
1 南开大学 现代光学研究所 光学信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300071
2 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
3 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, 上海 201800
通过使用太赫兹(Terahertz, THz)时域光谱系统, 探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲, 观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明: THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率, 这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测: THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后, 通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式, 从而验证了上述推测。
飞秒激光 成丝 太赫兹波 超光速传输 本征模式 femtosecond laser filamentation terahertz wave superluminal propagation eigenmode 红外与激光工程
2016, 45(4): 0402001
1 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
2 中国科学院大学, 北京100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
近年来，超强、超短、超快自由电子激光新技术在世界得到前所未有的发展，已成为探索光与物质相互作用的全新工具。在原子分子领域，短波自由电子激光的应用主要体现在多光子非线性和超快电子原子分子的反应动力学及控制等领域。从简单He 原子到复杂化学生物分子、外壳层到内壳层、单光子到多光子、单脉冲到时间分辨的抽运探测、深紫外到硬X 射线，能量谱到有时间分辨的动量谱，实验取得了一系列重大突破，让人们在飞秒时间尺度和原子空间尺度下探索操纵量子规律成为可能。本文系统介绍了本领域的最新实验进展，通过几个代表性研究成果，展示短波自由电子激光在电子、原子、分子量子特性研究中的重要突破。
激光技术 自由电子激光 原子分子与光物理 强场物理 激光与光电子学进展
2016, 53(1): 010002
1 南开大学现代光学研究所教育部光电信息科学重点实验室, 天津 300071
2 拉瓦尔大学光学、光子学和激光中心,物理、工程物理和光学系,加拿大 魁北克 G1V 0A6
飞秒激光在空气中形成的等离子体细丝会辐射出太赫兹(THz)信号。实验利用1 mJ,800 nm, 50 fs的飞秒激光脉冲产生等离子体细丝。应用光电取样方法探测了激光成丝现象中前向辐射的THz脉冲,得到了持续时间为0.1 ps、光谱峰值在1 THz左右的单周期THz脉冲。转动抽运光的偏振态,分析了电光取样信号的变化。通过比较实验数据和计算结果,证明了成丝辐射THz脉冲的偏振态为椭圆偏振态。
非线性光学 超快光学 激光成丝 太赫兹波
