腔内非线性光学整流：提升太赫兹信号噪声比的新途径

本文介绍了一种利用腔内非线性光学整流产生宽带太赫兹的新设计，结合了太赫兹电光采样技术。通过将太赫兹发射体置于飞秒激光振荡器内部，并在布儒斯特角下进行泵浦，能够提升泵浦脉冲功率，同时保持高脉冲重复率，从而提高了信号噪声比。 正文: 太赫兹辐射，位于红外和微波之间的电磁频谱区域，因其在物质探测、通信、成像和生物医学应用中的独特性质而受到广泛关注。传统的太赫兹辐射源往往受限于低功率和窄带宽。然而，本研究提出了一种创新的设计，即腔内非线性光学整流（Intracavity Nonlinear Optical Rectification），这种方法可以显著改善宽带太赫兹信号的产生，特别是在信号噪声比方面。 在该设计中，非线性晶体作为太赫兹发射体被放置在飞秒激光振荡器内部。飞秒激光器以其极短的脉冲宽度（约1飞秒）和高脉冲重复率（如kHz或MHz级别）著称，这使得它们成为产生高强度、瞬态太赫兹脉冲的理想光源。采用布儒斯特角泵浦（Brewster Angle Pumping）配置，意味着入射激光以特定角度入射到非线性晶体上，这个角度可以最大限度地减少激光在晶体内的反射，从而增加能量传输到非线性过程。 非线性光学整流（Nonlinear Optical Rectification）是一种非线性光学效应，其中高能激光脉冲在非线性晶体中诱导电偶极矩，从而产生太赫兹辐射。由于太赫兹发射体直接位于激光振荡器内部，激光的泵浦功率得到增强，同时保持了高的脉冲重复率，这有助于提高太赫兹辐射的效率和宽带特性。 实验结果显示，与基于外腔非线性光学整流的方法相比，这种腔内设计的信号噪声比提高了约29倍。这表明，该设计不仅提供了更强大的太赫兹信号，还显著降低了背景噪声，对于自由空间太赫兹时域光谱学（Free-space Terahertz Time-Domain Spectroscopy, TDS）的应用尤其有利，因为TDS通常需要高信噪比以获得精确的光谱信息。 此外，该设计被认为是成本效益高的，因为它减少了额外的光学组件和复杂的光学布局，使系统更加紧凑。这种优化的泵浦配置和腔内结构有望进一步推动太赫兹技术的发展，特别是在需要高信噪比和宽带覆盖的领域，如生物传感、材料表征和量子信息处理等。 这项工作展示了腔内非线性光学整流技术在提高太赫兹信号质量方面的潜力，为太赫兹科学和技术领域开辟了新的途径，对于未来实现更高效、更高性能的太赫兹系统具有重要意义。