太赫兹测量新方案：直接在等离子体源探测太赫兹辐射

寻找和开发高效太赫兹（THz）光源是 21 世纪的主要科学目标之一。太赫兹电磁波谱区由介于红外和微波波段之间的光谱组成，是最后一个几乎未被探索的光区--目前太赫兹频率范围内可用的强而高效的光源和探测器并不多。

最近为生产太赫兹光源所做的努力涉及使用超短脉冲激光器的大型激光设备，这种激光器能够在四万亿分之一秒的时间内输出大约相当于一万亿个 1 W 灯泡所消耗的功率。这些激光器焦点处的强度足以将电子从材料中撕裂出来（物质变成等离子体），从而产生整个电磁波谱的光。遗憾的是，要利用这种方法产生更强的太赫兹频率，目前的激光技术只能在几分钟或几小时内发射几次。这意味着，要正确测量和表征太赫兹源，必须开发出一种能够全面表征单次发射内产生的辐射的探测方法。

在双色空气等离子体太赫兹系统中拍摄的等离子体超连续图像。资料来源：Kareem J. Garriga Francis & Xi-Cheng Zhang，《Local measurement of terahertz field-induced second harmonic generation in plasma filaments 》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

美国纽约罗切斯特大学光学研究所的Xi-Cheng Zhang教授领导的研究团队扩展了一种方法，通过将太赫兹电场转换为可见光来探测太赫兹电场，这种方法被称为 ‘太赫兹场诱导二次谐波（TFISH）生成’。该方法利用非线性光学（研究物质与极强光之间的相互作用），在太赫兹波存在的情况下将光束的频率提高一倍。虽然这种测量方法已经使用了近二十年，但研究人员设计了一种新方法，在等离子体源产生辐射时直接对其进行测量。这项题为《Local measurement of terahertz field-induced second harmonic generation in plasma filaments》 的研究成果于2023年12月13日发表在《Frontiers of Optoelectronics》上。

90° 分析非共轭 TFISH 系统的系统原理图。该系统是双色空气等离子体 THz 发生系统，包含两个子系统：a ）情况 1：β-BBO（BBO 1）置于透镜 L1 之后，并向焦点方向平移，以控制泵浦 ω 和 2ω 之间的相位；b) 情况 2：Mach–Zehnder相位补偿器用于控制泵浦 ω 和 2ω 之间的相位。对于这两个子系统，都可以沿探测光束使用第二个 β-BBO（BBO 2），通过干涉测量获得相干信号。资料来源：Kareem J. Garriga Francis & Xi-Cheng Zhang，《Local measurement of terahertz field-induced second harmonic generation in plasma filaments 》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

由于太赫兹波在启动时被限制在等离子体中，因此从太赫兹到可见光的非线性转换效率极高，甚至可以用肉眼检测到。在他们的系统中，研究人员用一束强光束在干燥空气中产生等离子体，并用第二束弱激光光束以非线性角度探测等离子体。通过确定探测光束到达的时间与等离子体产生的时间，研究人员可以确定等离子体的动态特征，为太赫兹源提供完整的测量方案。
 

此外，研究人员还利用光栅来改变探测光束的时间，首次展示了在单次激光发射中对 TFISH 信号的测量。这种方法为太赫兹单次探测提供了迄今为止最大的带宽。

参考论文：Kareem J. Garriga Francis & Xi-Cheng Zhang，《Local measurement of terahertz field-induced second harmonic generation in plasma filaments 》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。