雙脈沖獨立控制的二維太赫茲相干光譜裝置

近年來，凝聚態物理領域的太赫茲光譜技術正經歷從弱場線性表征向強場非線性操控、從一維靜態譜學向多維相干動力學的跨越。二維太赫茲相干光譜技術通過解析兩束強場太赫茲脈沖激發下的非線性響應，可直接探測材料中集體激發模式的微觀耦合路經。然而，如何高效產生并獨立調控兩束高場強太赫茲脈沖，一直是制約該技術發展的瓶頸。

針對上述挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心、北京大學與上海交通大學聯合研制了一套兼具高能量轉換效率與參數完全可調的新型二維太赫茲光譜平臺。該系統基于傾斜波前技術，在兩塊獨立的鈮酸鋰晶體中產生雙束強場太赫茲源。通過引入潛望鏡式線柵合束器，不僅大幅保留太赫茲的電場強度，還借助雙反射鏡的獨立對準自由度，實現兩束太赫茲光在樣品及探測區的高效共線耦合。該光路可以對雙脈沖的偏振態、中心頻率及電場強度進行獨立控制，顯著提升了二維太赫茲相干光譜的實驗靈活性。

為驗證系統的探測能力，團隊系統測量了摻雜硅單晶在雙頻太赫茲脈沖激發下的非線性混頻效應。通過頻率矢量分析，實驗不僅在室溫下清晰分辨出高達十一階的非線性響應信號，更揭示了高階信號的偏振依賴特性。以往在半導體中觀測此類高階太赫茲非線性過程，通常必須依賴大型自由電子激光裝置的極端場強或低溫環境。該結果證實了基于桌面激光器的太赫茲二維光譜平臺在驅動并解析復雜高階非線性動力學機制方面的靈敏度與可靠性。

圖1. (a) 二維太赫茲相干光譜的光路示意圖。(b) 二維光譜的測量時序與調制原理。（c-d）硅單晶在室溫下的二維時域和頻域非線性信號。

該裝置突破了太赫茲二維相干光譜的儀器局限，為探索凝聚態物質的復雜低能激發態動力學和強場非微擾現象提供了高靈敏度的表征平臺。研究成果以“A versatile two-dimensional terahertz spectroscopy platform with dual independently controlled intense pulses”為題，于2026年3月發表在《Review of Scientific Instruments》。中國科學院物理研究所汪信波副研究員及北京大學特聘副研究員時立宇為論文的共同一作，物理所汪信波副研究員、北京大學/上海交通大學李政道研究所董濤副教授和王楠林教授為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及綜合極端條件實驗裝置（SECUF）的大力支持。

編輯：ThymolBlue