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超强激光科学卓越创新简报

(第七百二十五期)

2025年11月11日

上海光机所在高重频飞秒激光空气成丝产生太赫兹辐射研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在高重频空气飞秒光丝太赫兹辐射脉冲空间特性及其调制研究方面取得进展，系统揭示重频对激光光丝THz辐射空间指向特性的影响规律，提出外加直流电场的调控方法，实现了对高重频THz辐射空间指向稳定性的显著提升。相关研究结果以“Spatial characteristics and modulation of terahertz pulse from femtosecond laser air filament at high repetition rates”为题发表于Optics & Laser Technology。

近年来，高重复频率超快强激光技术快速发展，高重频下激光光丝存在显著的空间指向抖动问题，这一核心技术瓶颈限制了基于光丝的太赫兹源的应用，已成为当前该领域亟待突破的关键挑战。为系统研究激光重复频率对光丝太赫兹辐射的空间指向特性影响，本研究通过光丝辐射THz光斑直接成像技术结合统计学分析方法，对THz辐射的空间指向稳定性进行定量化评估。实验结果清晰表明：随着激光重复频率的升高，光丝辐射的THz空间指向分布范围呈现明显扩张趋势，光束空间指向的稳定性持续下降。上述现象的根源在于高重频飞秒激光成丝过程脉冲累加的热致扰动。

针对上述问题，本研究提出在光丝形成区域施加外部直流电场，实现了对THz辐射空间指向稳定性的显著提升。外部直流电场通过库仑作用显著抑制等离子体中电子和离子的复合过程，减少了复合热能释放量，从而削弱空气湍流的产生强度与累积效应，从根源上降低高重频光丝脉冲累加热致湍流对光丝传播及THz辐射指向的干扰。本研究为构建稳定的高重频宽带THz源奠定了技术基础，有望推动高重频THz技术在高精度无损检测、动态生物成像、高速THz通信等方面的应用。

相关研究得到国家自然科学基金、上海市科技计划、中国科学院国际合作重点项目等资助。

原文链接

图1 不同重复频率下的光丝产生太赫兹光束指向分布云图。（a）200Hz，（b）250Hz，（c）500Hz，（d）1000Hz；（e）光束指向平均偏差距离（蓝色实线）和其误差（蓝色阴影）随激光重复频率变化的函数。

图2 不同重频下光丝产生太赫兹指向抖动随外加直流电场电压的变化关系：（a）200 Hz，（b）250 Hz，（c）500 Hz，（d）1000 Hz；（e）有无外加直流电场下1000Hz光丝产生太赫兹辐射的指向分布；（f）光丝产生太赫兹指向抖动降低率。

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