在过去数十年间，频率范围约 1 至 30 太赫兹（1 太赫兹 = 10¹² 赫兹）的太赫兹频段电磁辐射，凭借其在光谱学、材料科学与成像领域中可作为高效探测手段的优势，受到的关注程度持续攀升。 一项原因主要在于人们对此产生研究兴趣的，太赫兹辐射能够与物质各类形态中离子、电子以及电子自旋的众多基础运动发生共振耦合。例如在固态物质中，太赫兹频段与晶格振动（声子）频率、传导电子碰撞速率、束缚电子 - 空穴对（激子）的结合能以及自旋波（磁振子）的进动频率相重合。因此，无论是连续波太赫兹辐射还是脉冲式太赫兹辐射，都已被应用于表征复杂材料中的基础物理过程，并助力科研人员深入探究其内在机理。此类研究大多采用强度相对较弱的太赫兹电磁场，仅探测材料的线性响应特性，不会使材料产生明显的性质改变。

然而直到近期，通过激发材料的太赫兹非线性响应，太赫兹科学领域才开辟出全新的研究方向。以往研究多依靠弱场主要观测声子、磁振子等特定太赫兹模式，而强场能够主动将这类模式激发至前所未有的大幅值，有望借此催生全新物质状态。例如，仿真研究表明，利用强瞬态太赫兹脉冲激发物质，可大幅改变电有序畴与磁有序畴的结构，还能将自由离子加速至约 1 兆电子伏特，经后续二次加速后能量可达 50 至 100 兆电子伏特。近期学界还取得多项突破性实验成果，包括实现磁有序态调控、完成光学声子参量放大、深化自旋 - 晶格耦合机制研究 ，以及在太赫兹直线加速器中实现自由电子加速。

得益于激光驱动台式太赫兹源的发展，这一研究进展得以实现。这类光源可稳定输出脉冲，其能量、峰值电场与磁场强度在整个太赫兹频谱范围内都达到了前所未有的水平。依托不同的激光式太赫兹脉冲产生技术，能够覆盖 0.1 至 10 太赫兹区间内不同的频谱波段。部分新近研发的技术还可生成带宽更宽、调谐范围最高可达 100 太赫兹甚至更高的辐射信号，进一步拓宽了太赫兹频谱的界定范围，下图汇总展示了各类激光驱动技术大致的频谱覆盖范围，以及目前所能实现的最高脉冲能量与峰值电场强度。

过去十年间，太赫兹全频谱（0.1 太赫兹至约 100 太赫兹）范围内高强度超短太赫兹脉冲产生技术取得了飞速发展。本文梳理了基于飞秒激光的各类相关技术，在光整流技术研究方面，重点围绕铌酸锂、半导体以及有机晶体展开阐述。倾斜波前泵浦技术，搭配非线性阶梯薄片、共线光栅等易于规模化应用的新型技术方案，有望实现前所未有的太赫兹脉冲能量，以及数十兆伏每厘米量级的超高电场强度。差分频率产生技术与光参量放大技术目前已能够在更高太赫兹频段产生此类超高场强。

本文还探讨了固态光电流辐射源，其中光电导天线与自旋太赫兹辐射源近期已证实具备产生强太赫兹场的能力，且自旋太赫兹辐射源还可灵活调控太赫兹偏振态。依托双色激光成丝诱导等离子体搭建的太赫兹辐射源，频谱覆盖范围极广，采用更长红外泵浦波长还可进一步提升场强，发展前景十分广阔。

未来这类技术还将持续迭代升级，不断突破太赫兹脉冲能量、峰值电场与磁场强度的现有上限，逐步迈入超强场乃至相对论物理研究范畴。兆伏每厘米场强量级的太赫兹脉冲，如今已广泛应用于非线性太赫兹光谱研究。前沿太赫兹辐射源也催生出全新应用领域，既包含非线性太赫兹光谱检测，也涵盖利用太赫兹强场实现物质调控，例如对带电粒子进行高效操控与加速。依托太赫兹技术研制的紧凑型粒子加速器，有望彻底变革加速器技术体系，推动其在材料科学、生物以及医学领域实现全新应用突破。

文章出处：Adv. Optical Mater. 2020, 8, 1900681

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adom.201900681