强场太赫兹产生及其前沿应用综述

基于上述强场太赫兹源的发展，该综述系统评述了其在多个科学前沿的变革性应用

近期，中科院上海光机所宋立伟研究员等在美国物理联合会旗舰期刊《Applied Physics Reviews》发表题为《强场太赫兹产生及其前沿应用综述》(Review of intense terahertz generation and its emerging applications)的综述文章，系统梳理了强场太赫兹产生技术的最新进展，深入探讨了其在强场物理、电子加速、量子物态调控等前沿领域的变革性应用，并对强场太赫兹科学的未来发展作出展望。

近年来，随着超强超短激光与太赫兹技术的深度融合，强场太赫兹光源的快速发展为各学科领域带来新契机。研究团队于2022年启动了科技部重点研发专项“超快强激光泵浦强太赫兹源驱动材料与器件非平衡态研究”，围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开研究。该综述围绕团队系列进展进行全面梳理，强场太赫兹源方面包括：波前倾斜技术解决了铌酸锂晶体中严重的速度失配问题，在0.1-2THz实现单脉冲能量高达13.9mJ的太赫兹辐射，在平均功率上实现了数百mW输出;有机晶体凭借其强非线性和共线相位匹配特性，可在红外超短脉冲激光驱动下产生0.1-6THz宽带强场太赫兹波，场强高达17MV/cm;基于光参量放大和差频技术，可实现频率4-40THz可调谐的强场太赫兹输出。上述技术方案通过光学频率下转换，基本实现了全太赫兹频段的强场输出。

除非线性光学方案，该综述重点展望了新兴的太赫兹产生机制。例如，利用飞秒激光驱动的电子束可直接产生太赫兹辐射，包括渡越辐射、史密斯-珀塞尔辐射乃至自由电子激光。这些基于自由电子的方案不仅规避了晶体的损伤阈值限制，还能实现电子到太赫兹能量的高转化效率。特别是基于金属丝波导的太赫兹表面波放大机制，已成功实现mJ级太赫兹脉冲能量和GV/cm太赫兹场强，在极端强场太赫兹物理领域展示了广阔的应用前景。此外，拓扑绝缘体及其异质结构被证明可高效利用超快自旋-电荷转换过程产生太赫兹波，在无需外磁场的条件下实现高达650kV/cm的峰值场强，为片上集成太赫兹源开辟了新路。在太赫兹量子级联激光器领域，文章重点阐述了其在频率梳及双光梳光谱技术中的关键作用。通过四波混频、克尔非线性与色散调控，太赫兹量子级联激光器可实现宽谱的频率梳运行，为高精度太赫兹光谱学和实时化学监测提供技术支撑。

在物态调控方面，强场太赫兹脉冲可诱导瞬态极化、产生太赫兹场致二次谐波，从而探测并操控铁电开关、软模声子激发等非平衡态过程。更重要的是，通过声子非线性机制，太赫兹场可选择性激发特定红外活性声子，并利用声子间的非谐耦合驱动材料发生瞬态相变。文章指出，利用这一机制已在铌酸锂中实现铁电极化反转，在钛酸锶等量子顺电体中诱发铁电相，并在稀土正铁氧体等材料中实现了光学诱导磁矩，为超快物态调控提供了全新范式。

在超快电子学领域，强场太赫兹波正推动电子加速与操控技术走向小型化与集成化。文章综述了基于介质或金属波导的太赫兹加速方案，通过实现太赫兹表面等离激元与电子束的协同传输，已在5mm相互作用长度内实现了1.1MeV的能量增益，等效加速梯度高达210MV/m。同时，利用单周期太赫兹脉冲驱动石墨针尖，借助波形不对称性与纳米近场梯度的协同作用，有效抑制了导致电子能谱混叠的再散射过程，实现了从电子能谱中直接提取时间信息，成功重构出与场发射理论高度吻合飞秒的电子脉冲。

展望未来，文章指出强场太赫兹科学技术正经历从“源驱动”向“应用牵引”的关键转型。在源技术层面，发展新型非线性与拓扑材料、优化热管理及相位匹配方案将是提升功率与效率的核心。在应用层面，强场太赫兹技术将不仅停留于对非线性现象的观测，而是迈向对材料量子态和相变的主动闭环调控。同时，结合太赫兹波与X射线、电子束的多模态探测，将在飞秒至皮秒时域内实现从原子核到电子的全维度动力学研究。随着实验室突破不断向生物医学检测、无损探伤、先进制造等实际应用场景转化，强场太赫兹技术必将在基础科学发现与前沿技术创新中发挥日益关键的作用。

本工作中，上海光机所宋立伟研究员为第一作者，冷雨欣研究员和李儒新院士为共同作者，田野研究员、北京航空航天大学吴晓君教授、上海微系统所黎华研究员为共同通讯作者。相关研究得到了基金委基础科学中心项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础研究青年团队等项目资助。

审核编辑 黄宇