“近日，北京航空航天大学吴晓君教授团队在高功率室温太赫兹强源研究方面取得重要进展，相关成果发表于 High Power Laser Science and Engineering 期刊（JCR Q1，剑桥大学出版社）。余谢秋博士为第一作者，吴晓君教授为通讯作者，北航国新院为第一单位。该工作得到首届中央高校 U40 等项目支持。

团队系统比较了反射光栅与反射阶梯镜两种倾斜波前方案，在毫焦耳级单脉冲能量、短脉冲（~250 fs）泵浦条件下，实现了基于阶梯镜方案的室温下 0.4% 太赫兹产生效率与 51.7 mW 平均功率输出，为高平均功率太赫兹强源的实用化发展提供了明确的技术路径与实验依据。”

——节选自国际太赫兹科创中心
 

链接：https://doi.org/10.1017/hpl.2026.10165

一、研究背景
·为什么难：三重约束下的强场太赫兹
太赫兹（THz）频段夹在电子学与光学之间，长期以来是超快自旋操控、加速器物理、非破坏成像、6G 通信调制等方向的"共性基础工具"。而"强场"THz 之所以稀缺，是因为它同时需要三件事情兼备：晶体内部的相位匹配、足够高的峰值光功率密度，以及能持续跑通热管理与稳定性的高重频驱动源——任何一环短板都会让转换效率跌回百分之零点零几的量级。

铌酸锂（LiNbO₃）+ 倾斜脉冲前沿（TPFP）目前仍是产生高强度 THz 的主力方案：通过让泵浦脉冲的能流面倾斜到与晶体内 THz 群速度匹配，实现光整流的相位同步。工程上通常有两种"造倾斜"的做法——一种是用衍射光栅把角色散引入光束（衍射效率高，代价是脉冲被色散拉宽）；另一种是用反射式阶梯镜，把光束在时间上切成一串子脉冲拼出等效倾斜（无色散，但传统实现里效率一直上不去）。到底哪条路线更好，长期以来没有系统实验去回答。

过去几年里，"高平均功率的掺镱飞秒源"这一环补齐得较晚：市面上大多数商用 Yb 激光器要么脉宽卡在 500 fs 以上、要么难以稳定推到毫焦级——峰值功率密度上不去，非线性转换效率自然也就抬不起来。可以说，"能稳跑的毫焦级 <300 fs 高重频光源"这一泵浦条件本身，就已经是能否把 THz 效率推向 0.4% 量级的先决问题。

二、核心成果
1.总体光路与激光参数
下方图 1 呈现了两条 TPFP 路线共用的实验搭建，以及本工作使用的激光参数。整套系统以 HELIOS-20W-HE 提供的 1030 nm / 2 mJ / 10 kHz / ~250 fs 主脉冲驱动 THz 产生臂；同一台激光器分光后再接入 AURORA-HE OPA，输出 800–900 nm、<55 fs 探针光用于电光采样（EOS）读取。在保持环境温湿度受控的常温条件下，团队交叉切换两种 TPFP 前端并同步扫描能量与脉宽——两条路线在同一台泵浦源、同一块 LiNbO₃ 晶体上被逐点对比。得到的第一条通则是：在毫焦级泵浦下把脉宽从 >500 fs 压缩到 ~250 fs 这一步，就能把光整流效率翻倍以上，远比更换晶体或改造 4-f 收益更直接。

图 1  实验光路图与激光参数。(a) 基于光栅和基于阶梯镜的倾斜脉冲前沿泵浦光路示意；(b) 20 W 激光器输出光斑（~5.3 mm，1/e²）；(c) 泵浦脉冲（蓝线）与信号光脉冲宽度（红线）；(d) OPA 信号光光谱。

2.方案 A：反射光栅方案
下方图 2 给出了光栅路线的原理草图与实测曲线。工作点选在光栅方程的甜蜜点上：泵浦以 33.6° 入射时，-1 级衍射出射角 43.6°、衍射效率约 97%，进入光路的能量几乎无损；产生的连续角色散在 4-f 系统（缩束比 M = 2.5）里成像到 LiNbO₃ 表面，从而得到符合相位匹配的连续倾斜脉冲前沿。在 226 fs 脉宽 + 1.44 mJ 泵浦能量下，光栅路线读得转换效率 0.26%，THz 单脉冲能量 3.79 μJ、平均功率 41.8 mW，频谱覆盖 0.1–3 THz、中心频率 0.54 THz，峰值电场约 680 kV/cm。这一效率相对以往 >500 fs 长脉冲泵浦的报道有明显跃升——反过来说明"短脉冲 + 高峰值功率密度"确实是提升光整流效率的第一杠杆。

图 2  光栅方案。(a) 原理示意；(b) 太赫兹能量与转换效率随泵浦能量的变化；(c) 太赫兹时域波形；(d) 太赫兹频谱（红），绿线为去除回波后频谱。

3.方案 B：反射阶梯镜方案（最优解）
下方图 3 展示了阶梯镜路线的关键构型与结果。该方案的核心器件是一枚由 75 级台阶（宽 187 μm、高 85 μm）组成的反射阶梯镜；泵浦光正入射后被离散化为 75 束存在固定延迟的子脉冲，等效于一条离散化的倾斜脉冲前沿，初始倾角 42.3°。子光束经 f = 100 mm 透镜（缩束比 M = 4.85）投至晶体，晶体内的有效倾角与 63° 底角对齐；相邻子脉冲之间的 567 fs 延迟远小于 THz 一个振荡周期，因此能相干拼接为连续波前。在 250 fs 脉宽 + 1.15 mJ 泵浦能量下，阶梯镜路线读到 0.4% 转换效率、4.66 μJ 单脉冲能量、51.7 mW 平均功率、0.1–2.3 THz 频谱覆盖（中心 0.44 THz）、50 dB 动态范围——这也是本次工作最主要的量化结论。

图 3  阶梯镜方案。(a) 原理示意；(b) 太赫兹能量与转换效率随泵浦能量的变化；(c) 太赫兹时域波形；(d) 太赫兹频谱，绿线为去除反射信号后频谱。

4.脉宽与功率两条扫描线
下方图 4 是两条独立扫描线：一条固定能量扫脉宽，另一条固定光斑扫功率。对光栅路线，脉宽一旦增加，THz 能量迅速回落——因为角色散与更长脉冲叠加会进一步稀释峰值密度；对阶梯镜路线，在低通量下脉宽从 226 fs 略拉到 250 fs 时反而出现小幅上升，随后进入线性下降段。三种配置的 THz 平均功率随泵浦功率均近似线性抬升，而大光斑 + 阶梯镜的组合最终触顶到 51.7 mW，是本工作报告的最高值。

图 4  (a) 脉冲宽度变化对单脉冲太赫兹能量的影响；(b) 泵浦功率与光斑尺寸对单脉冲太赫兹能量的影响。

三、支撑这一切的泵浦源：HELIOS-20W-HE
把 THz 效率从"小数点后两位"提到"接近半个百分点"，前提是驱动光源本身要同时给到高单脉冲能量、短脉宽、稳定的高重频、可长时间连采。镱镭飞秒面向科研市场推出的 HELIOS-20W-HE 高能量掺镱飞秒放大器，正是围绕这些需求做的旗舰级 CPA 平台。
 

注：功率稳定性与指向稳定性数据在 10 kHz 参数组、连续 24 h 烤机条件下测得，可作为设备长期漂移水平的代表值；M² 与近场光斑直径为出厂端各档独立测得。

*10 kHz 工作点下用 YOKOGAWA AQ6370B 采集的输出光谱：
中心波长稳定落在 1034.7 nm、-3 dB 谱宽约 7.7 nm，谱形对称、边缘干净——这是后续任何压缩、频率变换环节都要依赖的谱基础。

*10 kHz 工作点下的自相关实测 226.3 fs：
Gauss 拟合脉宽 226.3 fs，ACF FWHM 315.3 fs，Fit R² = 1.000——这也正是论文中反复出现的"~250 fs 短脉冲泵浦"的物理来源。

图 5 ｜HELIOS-20W-HE 10 kHz 主工作点输出光谱 · 中心波长 1034.7 nm	图 6 ｜HELIOS-20W-HE 10 kHz 主工作点自相关脉宽 · 226.3 fs FWHM

*10 kHz 工作点下用彩煌 60F-DC-25U 功率计连续采集 24 h 得到的功率曲线：
平均功率 22.4 W、RMS 波动 0.12 %，全时段功率线接近水平，无肉眼可见的趋势漂移——这也是本工作能够连续采集 TPFP 效率-能量扫描曲线的直接前提。

*10 kHz 工作点下用 DataRay WinCamD-LCM（后接 500 mm 聚焦透镜）测得的 24 h 指向稳定性曲线：
X、Y 位置全时段无系统性漂移，位置 RMS 1.93 μm，对应角度指向稳定性 3.86 μrad——这一数量级足以支撑长期精密对焦的 4-f 成像光路与晶体入射角保持稳定。

图 7 ｜HELIOS-20W-HE 10 kHz 工作点 24 h 长时功率稳定性 · 平均 22.4 W · RMS = 0.12 %	图 8 ｜HELIOS-20W-HE 10 kHz 24 h 指向稳定性 · F=500 mm 聚焦 · 质心 RMS = 1.93 µm · 9.86 µrad

四、可拓展性：同源 OPA 探针 + MPC 亚 40 fs 极短脉冲
论文的 EOS 探针光要求 800–900 nm 波段、<55 fs 脉宽——这类需求正好被 HELIOS-20W-HE 平台上另外两台配套产品覆盖：AURORA-HE OPA 负责波长可调，HYPERION-G MPC 负责脉宽压缩。同一台主振分光即可"泵浦臂 + 探针臂"两路输出，是当前科研级实验中最省空间也最容易维护的一种拓扑。

AURORA-HE 高能量 OPA  650 – 2600 nm 全波段调谐
下方是 AURORA-HE OPA 的入口/出口关键参数一览：注入端为 205 μJ / 226.3 fs / 5.3 mm 的 1030 nm 主脉冲；输出端的 Signal 峰值 172 mW @ 820 nm、Idler 峰值 88 mW @ 1463 nm，两路加起来能覆盖从可见到中红外的完整波段——同时给出了 24 h 长稳数值供工程参考。
 

*输出光谱：信号光全段连续可调
从 650 到 900 nm 的 Signal 光谱峰形完整、能量密度均匀、无异常突起。

*输出光谱：闲频光全段连续可调
1200–2600 nm 的 Idler 也保持相似形态。这种"谱形一致性"直接决定了 EOS 探针脉冲的干净程度——尤其是在做微弱 THz 波形恢复的时候。

图 9 ｜AURORA-HE 信号光连续调谐输出光谱（650 – 900 nm）	图 10 ｜AURORA-HE 信号光连续调谐输出光谱（1200 – 2600 nm）

*信号光 + 闲频光 全谱段调谐（650 – 2600 nm）
Signal 在 780–840 nm 区间进入 160–172 mW 的平台区——这恰好覆盖了论文里 EOS 探针的用光波段；Idler 在 1200–1600 nm 段维持 78–88 mW 的平台区，则可以直接外拓到 THz 生成、宽带红外光谱、上转换探测等场景。

*主机 24 h 长时功率稳定性：0.303 % RMS
750 nm 输出下用彩煌 10F-MA-19U 功率计连续采集 24 h 得到的功率曲线，均值 135 mW、RMS 0.3031 %（标准差 0.4097 mW），全时段漂移 < 3 mW——足以支撑 EOS 系统连续数十小时高信噪比采样，尤其在做通宵 THz-TDS 时非常关键。

图 11 ｜AURORA-HE 信号光 + 闲频光 调谐功率曲线	图 12  AURORA-HE OPA + SCMP 24 h 功率稳定性曲线

 

HYPERION-G MPC 脉冲压缩：一步把 249 fs 压到 33.4 fs
THz-EOS、HHG、attosecond 产生、非线性光谱等实验普遍要求 <50 fs 甚至 <30 fs 的脉冲——单靠 Yb-CPA 直出很难做到。镱镭飞秒 HYPERION-G 多通池 (MPC) 采用主流的"SPM 光谱展宽 + 啁啾镜色散补偿"工程化组合，能把 HELIOS 平台的 ~250 fs 输出稳定压到亚 40 fs。

下方是 HYPERION-G MPC 非线性压缩的全部指标——从注入端到出射端一次列全：输入 205 μJ / 249 fs @ 100 kHz，输出 190.8 μJ / 33.4 fs @ 100 kHz——压缩比 7.5×、单程透过率 93.07 %，24 h 长稳读到 0.089 % RMS；输出光束直径 3.57 mm、发散角 0.156 mrad、指向稳定性 10.8 μrad，各项工程指标均已达到国际前沿水平。
 

*MPC 输入 / 输出光谱：13 nm → 75 nm
注入端 -10 dB 带宽仅 13 nm（黄），经 MPC 内部 SPM 展宽后被拉到 75 nm（蓝），带宽增益约 5.8×——这是把脉宽压到 33.4 fs 傅里叶极限的原材料。

*MPC 输入 / 输出脉宽：249 fs → 33.4 fs
MPC 出口实测输出脉宽 33.4 fs。

图 13  HYPERION-G MPC 输入 / 输出光谱对比	图 14 ｜HYPERION-G MPC 输入（249 fs）与输出（33.4 fs）自相关脉宽对比

*24 h 连续烤机的功率稳定性曲线
平均功率 19.08 W（对应 190.8 μJ 单脉冲能量）、RMS 0.089 %、标准差 0.017 W——这一稳定度水平已进入国际同类 MPC 产品的一线水准，可支持通宵级 attosecond、HHG、THz-TDS 类连续采集。

*24 h 长稳期间的指向稳定性曲线
位置 RMS 4.86 μm、对应角度 10.8 μrad，全时段 X / Y 方向漂移均在预期范围内——这一指向水平配合 MPC 出射光的 3.57 mm 光束直径、0.156 mrad 发散角，可保证下游 HHG、attosecond、非线性光谱等对束流稳定性极敏感应用的连续运行。

图 15  HYPERION-G MPC 24 h 功率稳定性曲线（100 kHz，彩煌 60F-DC-25U）	图 16  HYPERION-G MPC 24 h 指向稳定性曲线（DataRay WinCamD-LCM）

五、写在最后
北航吴晓君团队的这次工作，第一次把两条 TPFP 路线放到"毫焦级 + 短脉冲 + 常温"这个真实工程窗口里做了严格的定量对比，最终定下"短脉冲 + 阶梯镜"这条最优路径。这一结论对面向 THz 成像、超快电子加速、非线性 THz 光谱等下游应用的强场 THz 平台设计，是可以直接照搬的工程结论。对于镱镭飞秒来说，这个项目也是 HELIOS-20W-HE 作为"高能量 + 短脉宽 + 高重频 + 高稳定"四合一泵浦平台的又一次现场验证——不依赖任何外部压缩，直接输出 2 mJ、~226 fs、10 kHz，同时保持 24 h 内 0.12% RMS 的长期抖动。它现在被广泛用于 TPFP THz 强源、HHG、attosecond、精密加速器物理等前沿实验的驱动光源位置。

可组合的产品线
● HELIOS-20W-HE：Yb-CPA 飞秒放大器：2 mJ @ 10 kHz / 226 fs / 21 W，10 / 50 / 100 kHz 三档一体。
● AURORA-HE OPA：波长 650 – 2600 nm 全覆盖，Signal 峰值 172 mW @ 820 nm、Idler 峰值 88 mW @ 1463 nm。
● HYPERION-G MPC：一次性把 249 fs 压到 33.4 fs，7.5× 压缩比、93% 透过率、0.089% RMS @ 24 h。
● 拓展方案：基于同一 HELIOS 平台可选配 HHG、THz-TDS、Pump-Probe、SCMP 等前端。

如果您正在筹备 TPFP THz 强源、超快电子加速、attosecond、非线性光谱等方向的实验平台，欢迎联系镱镭飞秒技术团队沟通选型与前期光路仿真——我们可以从主振型号、能量分配、脉宽预算到晶体选择做完整的一体化方案设计。