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“生命射线”太赫兹波——对话高能强场太赫兹脉冲源团队

导语:
       近期,北京航空航天大学微波感知与安防应用北京市重点实验室吴晓君副教授的强场太赫兹研究团队与中国科学院物理研究所李玉同研究团队合作,取得了高能强场太赫兹脉冲源的重要突破。在4月23-26日的第九届超快现象与太赫兹国际会议上,倾斜波前技术的发明人Hebling教授在其主题报告中,视该研究成果为利用倾斜波前技术获得的最新世界纪录。  

图:(左图)吴晓君副教授在第九届超快现象与太赫兹国际会议上展示最新成果 (右图)吴晓君副教授与倾斜波前技术的发明人Hebling教授的合影

   “生命射线”太赫兹波  

太赫兹电磁辐射波长位于微波与远红外光之间,频率范围覆盖0.1-30THz,,又被称为亚毫米波,是电磁波谱上还未被人类深入研究和开发,但极具学术价值和重要应用的一个频段。太赫兹波又被称为“生命射线”,不仅因为其特殊频段包含生命分子DNA和蛋白质的集体振动频率,还因为占人体70%的水所具有的氢键网络的动态时间也在皮秒量级(皮秒的倒数即为太赫兹)。

图:电磁波频段划分

太赫兹波具有四个特点,普遍性、唯一性、宽带性和瞬时性。无论是人体还是宇宙大爆炸所释放的射线,其间都包含丰富的太赫兹频段信号,太赫兹波在自然界中普遍存在,是人们认识自然界的有效线索和工具。而唯一性表现在太赫兹波具有较强的穿透力和较高的分辨率,同时具有唯一的物质光谱,因此太赫兹在安防和生物检测领域的发展潜力不可小觑。此外,数据的高速传输和研究热化学反应的超快动力学也少不了太赫兹的身影,借助其超短的脉冲间隔即有可能实现对化学反应在原子层面的操控。

强场太赫兹辐射源

当人们试图利用电子学和光学的技术分别从低频和高频向该频段扩展时,却都遇到了许多困难与挑战,导致该频段成为电磁波谱上被遗留下来的“沃土”,阻碍太赫兹科学与技术发展的瓶颈在于高效率辐射源和高灵敏度探测器的缺乏,以及太赫兹功能器件的缺乏,其中高效率太赫兹辐射源的缺乏极为关键。

吴晓君副教授在德国做博士后期间的主要研究方向即为高能强场,有着参与欧盟的电子加速器和一些其他加速器研究的丰富经验,经过多方考察最终来到北航着手搭建实验平台,将国外的先进技术带回了国内。

由于实验平台的搭建并不容易,吴晓君副教授和她的团队只能奔波于北航和物理所之间,借用物理所现成的激光器。就在这样艰苦的实验条件下,吴晓君副教授和她的团队在回国不到一年的时间里就获得了太赫兹强场辐射源的新纪录。

高能强场太赫兹辐射源的实现过程中由于泵浦激光脉冲很短和晶体破坏阈值的限制,使得效率不但不能提高,连保持住原有水平都很困难。为此,团队通过在泵浦脉冲增加啁啾调制的方式,使脉冲展宽,不仅增加了相位匹配的有效作用距离,而且降低了泵浦脉冲的峰值功率,使得太赫兹的产生效率得到提高。实验获得的脉冲能量达到了0.2mJ,场强达到4MV/cm,我们平时所见到的闪电,其间峰值电场约为10KV/cm,也只有实验所获得电场的四百分之一。

图 通过啁啾脉冲展宽技术和光谱调制技术获得0.2mJ, 4MV/cm的低频高能强场太赫兹脉冲源及其实验装置照片

报效祖国,培养人才

重点实验室主任苗俊刚教授介绍了吴晓君副教授工作的意义和实验室的情况。苗俊刚教授和吴晓君副教授在谈到个人动力时提到最多的一句话就是“想要做点事情”。他们经历了祖国艰难的发展阶段,又看到了祖国如今的繁荣昌盛,国外留学经历让他们意识到国内在某些领域依然与国际先进水平存在差异,于是更加坚定了为国效力的决心。微波感知与安防应用北京市重点实验室是基于北航电磁工程实验室建成的。北航电磁工程实验室是我国隐身飞机研究的鼻祖,有着完整的电磁波测量系统和测试场,从军用到民用、从通信到安防等多种设备和产品,都有该实验室在关键技术上的贡献,吴晓君副教授团队所研究的太赫兹源技术也必将使实验室技术更上一层楼。

除了不断在科研上有新的突破,吴晓君副教授也大力支持本科学生参与科研活动,在第九届超快现象与太赫兹会议上带领了四位本科生参会,其中电子信息工程学院的方兆吉同学(大三)在会上做了口头报告,其余三名同学得到了海报展示机会。

图:吴晓君副教授(右一)和她的学生团队

 

结语:

目前,世界上还没有全固态的毫焦量级的太赫兹系统,吴晓君副教授的团队将会在该方向继续研究,探索新机理和新技术,再创新高,力争做出能量更高的全固态高能强场太赫兹辐射源,为后续应用奠定基础。

 

策划/文案:曹嘉辉

采访:谭莉莎,曹嘉辉

设计:杨智涵

鸣谢:电子信息工程学院

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn