关于《高重频宽调谐太赫兹参量振荡器的研究》的学术研究报告

一、 研究团队与发表信息
本研究由天津大学精密仪器与光电子工程学院、光电信息技术教育部重点实验室的马鸿儒、王与烨（通信作者）、徐炳烽、张敬喜、孙悦、陈锴、徐德刚、姚建铨等研究人员共同完成。研究成果以《高重频宽调谐太赫兹参量振荡器的研究》为题，在《物理学报》（Acta Physica Sinica）网络首发，网络首发日期为2026年5月27日。

二、 学术背景与研究目标
本研究属于太赫兹（Terahertz, THz）技术领域，具体聚焦于基于非线性光学频率变换的太赫兹参量辐射源。太赫兹波（频率0.1-10 THz）因其宽带性、指纹谱特性、低能性等优点，在物质光谱检测、快速成像、通信及无损检测等领域具有重要应用价值。其中，高重复频率（高重频）太赫兹源能显著缩短检测时间，而宽调谐范围则能增加光谱信息、拓宽可检测物质种类。因此，发展兼具高功率、高重频、宽调谐特性的太赫兹辐射源是该领域的研究重点之一。

在诸多太赫兹产生方法中，基于非线性光学频率变换（特别是受激电磁耦子散射，Stimulated Polariton Scattering, SPS）的太赫兹参量振荡器（Terahertz Parametric Oscillator, TPO）因其频率连续可调、结构紧凑、室温运转等优势备受关注。常用的铌酸锂（LiNbO₃, LN）晶体虽能产生1-3 THz的太赫兹波，但其调谐范围和高频输出功率受限于晶体对太赫兹波的强吸收以及泵浦源性能。以往研究通过晶体结构设计（如倾斜晶体、硅棱镜耦合）、使用特殊晶体（如近化学计量比铌酸锂，SLN）或采用脉冲种子注入、皮秒激光泵浦等技术来提升性能，但仍存在晶体成本高、系统复杂、重频低或峰值功率有限等问题。尤其在高重频（kHz量级）泵浦下，同时实现宽调谐（覆盖至接近5 THz）和高功率输出仍具挑战。

本研究的核心目标是：理论与实验相结合，探究并实现一种基于高重频纳秒激光泵浦、具有宽调谐范围和高输出功率的太赫兹参量振荡器。 具体而言，研究旨在从理论上分析影响太赫兹参量过程净增益的关键因素，明确泵浦能量密度对输出功率和调谐范围的作用机制；在实验上，利用高重频电光调Q激光器泵浦氧化镁掺杂铌酸锂（MgO:LN）晶体，力求在kHz重复频率下，实现覆盖1至5 THz的宽调谐、高平均功率及高峰值功率的太赫兹波输出。

三、 研究流程与方法详述
本研究遵循“理论分析-实验设计-系统搭建-性能测试-结果对比”的系统性工作流程，具体步骤如下：

1. 理论建模与分析：
研究首先从受激电磁耦子散射（SPS）的基本物理过程出发，建立了太赫兹参量过程的净增益（Net Gain）理论模型。该过程涉及一个泵浦光子转化为一个斯托克斯（Stokes）光子和一个太赫兹光子，满足能量和动量守恒。研究者引用了已有的小信号增益系数 (g_s) 公式（公式1），该公式与泵浦光峰值功率密度 (I_p)、晶体有效非线性极化率 (\chi_{eff})、泵浦光斑半径 (r_x)、太赫兹波在晶体中的吸收系数 (\alpha_t) 及有效作用长度 (l_{eff}) 等因素相关。关键创新在于引入了净增益系数 (g_{net} = g_s - \alpha_t) 的概念，用以更准确地描述太赫兹波在晶体中产生（增益）与被吸收（损耗）的动态竞争过程。只有当 (g_{net} > 0) 时，太赫兹波才能有效输出。
基于此模型，研究团队进行了数值仿真。他们设定了固定的泵浦平均功率（28 W）、重复频率（4 kHz）和脉冲宽度（5 ns），并采用了文献中测得的MgO:LN晶体太赫兹吸收系数数据。通过改变泵浦光斑半径（(r_x = 300, 500, 800 \mu m)），系统计算了净增益系数 (g_{net}) 随太赫兹频率（1-5.5 THz）的变化曲线。这一理论分析步骤旨在预先评估泵浦光能量密度（通过光斑大小调节）对太赫兹波输出功率及调谐范围上限的影响，为后续实验参数优化提供直接理论指导。

2. 实验系统设计与搭建：
实验部分的核心是构建一套基于外腔泵浦结构的太赫兹参量振荡器（TPO）系统。研究团队自主设计并搭建了该系统，其主要组成部分包括：

• 泵浦源： 采用主振荡功率放大（MOPA）结构的电光调Q Nd:YAG激光器。该系统由振荡级和两级放大级构成，使用885 nm激光二极管（LD）泵浦梯度掺杂的Nd:YAG晶体，最终输出1064 nm波长激光。该激光器的突出特点是高重复频率（4 kHz）和高平均功率（最高达28 W），脉冲宽度约为5 ns，这为产生高重频、高峰值功率太赫兹波奠定了基础。
• 太赫兹参量振荡器（TPO）核心： 泵浦光经过半波片和布儒斯特窗调整偏振方向后，入射至非线性晶体。核心非线性介质为一块特殊切割的5 mol% MgO掺杂铌酸锂（MgO:LN）晶体。晶体被加工成等腰梯形（尺寸：x方向55 mm，y方向24 mm，z方向10 mm），这种设计使得泵浦光和Stokes光在晶体表面发生全反射，而太赫兹波得以近乎垂直晶体浅表面出射，从而极大减少了太赫兹波在晶体内的传输距离和吸收损耗。晶体放置于可旋转平台上，通过改变其角度（即相位匹配角）来实现太赫兹频率调谐。
• Stokes光谐振腔： 由两个镀有1064-1090 nm高反射膜的D形镜组成，腔长约100 mm，用于共振增强Stokes光，进而提高参量转换效率。
• 探测系统： 使用高莱探测器（Golay Cell）测量太赫兹波的平均功率。为消除泵浦光和Stokes光干扰，探测器前加装了黑色聚乙烯滤光片。由于高莱探测器响应速度慢，无法直接测量4 kHz信号，因此在TPO前使用了10 Hz的斩波器进行调制测量。

3. 实验过程与性能表征：
实验研究主要分为以下几个步骤：

• 调谐特性测试： 固定泵浦功率（24 W）和泵浦光斑半径（425 µm），旋转晶体改变相位匹配角，同时使用光谱仪测量对应角度下Stokes光的波长。根据能量守恒定律（(\omega_p = \omega_s + \omega_t)），由泵浦光（1064 nm）和测得的Stokes光波长计算出产生的太赫兹波频率。
• 输出功率与调谐曲线测量： 系统研究泵浦参数对输出性能的影响。首先，在泵浦光半径为425 µm、功率24 W的条件下，测量了整个调谐范围内各频率点对应的太赫兹波平均功率，绘制调谐曲线。然后，改变泵浦条件进行对比实验：一是将泵浦光半径增大至500 µm，保持功率24 W，测量调谐曲线；二是在500 µm半径下，将泵浦功率提升至28 W，再次测量。这些实验旨在验证理论分析中关于泵浦光斑大小和功率密度影响的预测。
• 输入-输出特性与阈值测量： 在固定太赫兹频率（1.75 THz）下，分别对425 µm和500 µm两种泵浦光斑半径，测量太赫兹波输出平均功率随泵浦功率变化的曲线，从而确定振荡阈值并观察输出饱和特性。
• 时域脉冲与峰值功率估算： 在1.7 THz输出最佳点，使用快速光电二极管分别测量泵浦光和Stokes光的脉冲时域波形，获得其脉冲宽度（半高全宽）。根据三者脉冲宽度的理论关系公式，估算出太赫兹波的脉冲宽度，进而结合平均功率和重复频率计算出峰值功率。

四、 主要研究结果与逻辑阐述
1. 理论仿真结果：
理论计算清晰地表明，在固定泵浦平均功率下，泵浦光斑半径（即能量密度）对净增益系数 (g_{net}) 和调谐范围有决定性影响。当光斑较大（(r_x = 800 \mu m)）时，(g_{net}) 在约3 THz处已接近零，意味着高频太赫兹波无法有效产生。缩小泵浦光斑（提高功率密度）能显著提升 (g_{net})，尤其是高频区（>3 THz）的增益。例如，(r_x = 500 \mu m) 时，调谐范围可拓展至5.5 THz；进一步缩小至 (r_x = 300 \mu m)，高频增益继续提升，但低频增益因有效作用长度缩短而略有下降，增益峰值向更高频移动。仿真还预测了由于晶体吸收谱的特性，(g_{net}) 会在3.15 THz（吸收峰）附近出现凹陷，在4 THz（吸收谷）附近出现次峰。这些理论结果为解释后续实验观察到的调谐曲线形状（双峰结构）和优化泵浦光斑尺寸提供了关键依据。

2. 实验验证结果：

• 宽调谐范围实现： 实验成功实现了太赫兹波的宽调谐输出。通过测量Stokes光波长变化，确认太赫兹波的频率调谐范围为1.05 THz至4.96 THz，覆盖了从亚毫米波到远红外的重要波段。
• 调谐曲线与理论吻合： 测得的太赫兹波输出功率随频率变化的曲线（图4）与理论预测高度一致。曲线呈现明显的双峰结构：在1.8 THz处出现主峰，在4 THz处出现次峰，中间在~3.2 THz处存在功率低谷。这完美对应了理论中净增益系数受晶体吸收系数影响而在3.15 THz处下降、在4 THz处回升的预测。当泵浦光斑从425 µm增大到500 µm（功率24 W），整体输出功率略有下降；但在500 µm光斑下将泵浦功率提升至28 W，在1.7 THz处获得了最大平均功率120 µW。实验发现，在3-5 THz高频区，425 µm光斑、24 W泵浦（功率密度更高）条件下的输出功率反而优于500 µm光斑、28 W泵浦的条件，直接验证了理论结论：高频太赫兹波产生需要更高的泵浦功率密度来克服晶体强吸收。
• 高功率输出与效率： 在最佳条件下（泵浦功率28 W，光斑半径500 µm，频率1.7 THz），获得120 µW的最大平均输出功率，对应的能量转换效率为4.3×10⁻⁶。输入-输出曲线（图5）显示，阈值功率分别为7.5 W（425 µm）和8 W（500 µm），且输出功率随泵浦功率线性增长，未出现饱和，表明系统尚有提升潜力。
• 高峰值功率： 通过测量，泵浦光和Stokes光脉冲宽度分别为5.23 ns和3.49 ns，据此估算出太赫兹波脉冲宽度约为2.9 ns。结合平均功率和重复频率，计算得到在1.7 THz处的峰值功率约为10.3 W，达到了瓦量级。
• 高重频运行： 整个系统在4 kHz的高重复频率下稳定运行，这得益于采用了高重频的电光调Q MOPA激光泵浦源。

五、 研究结论与价值
本研究成功设计并实现了一种基于高重频电光调Q激光泵浦MgO:LN晶体的太赫兹参量振荡器。主要结论如下：通过建立净增益模型，从理论上阐明了提升泵浦光能量密度（峰值功率密度）是扩展太赫兹参量振荡器调谐范围（尤其是向高频扩展）和提升输出功率（特别是高频功率）的关键途径。实验上，利用自主搭建的高功率、高重频泵浦源和特殊设计的晶体结构，首次在4 kHz重复频率下，实现了1.05-4.96 THz的宽调谐太赫兹波输出，并在1.7 THz处获得120 µW的平均功率和10.3 W的峰值功率，实验结果与理论预测吻合良好。

本研究的科学价值在于：深化了对太赫兹参量产生过程中增益与损耗竞争机制的理解，特别是定量分析了泵浦参数与输出性能的关联，为优化TPO设计提供了清晰的理论指导。其应用价值显著：所研制的太赫兹源同时具备了高重频（kHz）、宽调谐（近1-5 THz）、高平均功率（百微瓦级）和高峰值功率（瓦级） 的综合优异性能。这种源非常适合于需要快速扫描、宽谱探测的应用场景，如实时太赫兹光谱检测、快速成像、材料高通量筛查等领域，为相关应用提供了性能强大的工具。

六、 研究亮点

1. 理论创新： 引入并强调了“净增益系数”在分析TPO性能中的核心作用，通过系统的理论仿真，明确了泵浦能量密度对输出功率和调谐范围，特别是对高频端拓展的支配性影响，使实验设计有的放矢。
2. 技术突破： 成功将高重频（4 kHz）纳秒脉冲泵浦技术与MgO:LN晶体TPO相结合，在保持高重频的同时，实现了接近5 THz的宽调谐输出，填补了高重频TPO在宽调谐性能方面的不足。
3. 高性能输出： 实验最终指标突出，同时实现了宽调谐（1.05-4.96 THz）、高平均功率（120 µW）、高峰值功率（10.3 W）和高重频（4 kHz），综合性能处于同类研究前列。
4. 实验与理论高度吻合： 实验观察到的调谐曲线双峰特征与基于晶体吸收谱的理论预测完全一致，强有力地验证了理论模型的正确性，也证明了晶体吸收是决定TPO输出频谱形状的内在关键因素之一。
5. 工程化设计： 采用了MOPA结构激光器保证泵浦光质量，设计了特殊的梯形MgO:LN晶体以减小太赫兹吸收路径，整个系统结构相对紧凑，展现了良好的工程可实现性。

七、 其他有价值信息
本研究得到了国家自然科学基金、天津市青年科技人才项目、中国博士后科学基金等多个项目的支持，体现了该研究受到学术界的重视。文中也提及了与国内外同类工作的对比，例如与基于脉冲种子注入、皮秒激光泵浦或内腔泵浦等方案的比较，突出了本工作在平衡重频、调谐范围和功率方面取得的进展。这些背景信息有助于读者定位本研究成果在领域内的位置和价值。