应变钻石中无缝可调的强烈太赫兹脉冲产生

弥合一段缺失的不可见光带

太赫兹光位于电磁谱中微波与红外之间，能以揭示或控制材料隐含性质的方式驱动原子和分子振动。然而这一区间中大约5–15太赫兹的关键频段，长期以来难以用强、干净的脉冲有效覆盖。本文展示了如何利用一小块精确受压的钻石晶体作为一种新型“引擎”，产生强烈的超短太赫兹爆发，能无缝覆盖这段“缺失”波段，从而为探测超导体、量子材料和复杂分子打开新通道。

为何这一隐匿频段至关重要

许多重要材料在5–15太赫兹振动下响应最强。以恰当节律驱动超导体或磁性晶体，可以暂时改变其态，例如诱导超导性或重塑磁排列。现有太赫兹源要么在该频段留下空档、在特定频率上功率不足，要么依赖脆弱且昂贵的晶体和复杂器件。因此，研究者需要一种在整个频带上可调且无缝覆盖、功率充足并且易于整合进常规超快激光实验室的光源。

将钻石作为太赫兹“发动机”

作者基于一种方法：三束精确计时的激光脉冲在钻石内协同作用。两束较长的脉冲先同步牵动晶体原子，激发出明确的晶格振动。第三束非常短的中红外脉冲随后穿过晶体，与该振动“拍频”，将部分能量下转换为太赫兹脉冲。太赫兹光的频率由前两束脉冲的色差以及中红外脉冲的频率共同决定，因此只需调节激光便可使输出从约5太赫兹扫到远超15太赫兹且不中断。关键挑战在于确保穿过钻石的各种波保持相位叠加，从而使产生的太赫兹场增强而非相互抵消。

通过应变实现精确时序

在未施加应变的钻石中，当所有光束共线传播时，各波不自然同步，因此早期实验被迫采用交叉入射几何。这种非共线布局缩短了相互作用区、增加对准难度并在输出光束中引入畸变。本文团队沿小钻石立方体的一个轴施加受控机械压应变。微小的应变改变了不同波长光在晶体中的传播速度，在适当压缩下，时序得以对齐：所有相互作用的波可以共线传播并保持相位。实验证明，采用该方法时，一块2毫米厚的钻石在10太赫兹处产生的太赫兹能量约为交叉光束布局的三倍，同时保留了清洁、近似高斯且易于紧聚焦的光束特性。

在晶体内部平衡能量流

为理解并优化性能，作者数值求解了描述光脉冲与晶格振动随钻石传播演化的耦合方程。他们发现最强的泵浦脉冲会被严重耗尽——大部分能量转换到其他波段——因此忽略耗尽的简单公式失效。模拟显示，关键不只是驱动强度，而是振动沿钻石长度的形状与范围。如果驱动脉冲过强或完全调谐，振动会非常强但局限在短区；若驱动过弱或失谐，振动会分布较广但振幅不足。最佳情况是宽展且中等强度的振动剖面，与短中红外脉冲有良好重叠，从而最大化太赫兹输出。

放大规模与未来展望

在他们现有的激光系统下，研究者在10太赫兹处产生持续约60飞秒的太赫兹脉冲，能量为30纳焦耳，紧聚焦时电场强度超过每厘米两百万伏。他们的计算表明，适度增厚的钻石——到几毫米量级——可在实际限制（如损伤和光束发散）出现前将能量再提高数倍。由于各束现已可共线传播，该光源可自然整合进常见的太赫兹时域与超快光谱测量系统。本质上，通过轻微挤压钻石并精心平衡输入脉冲，这项工作提供了一个紧凑、可调且强劲的光源，有效填补了5–15太赫兹的间隙，为驱动与探索复杂材料行为提供了强有力的新工具。

引用: Su, Y., Wei, Y., Lin, C. et al. Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond. Light Sci Appl 15, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02092-6

关键词: 太赫兹脉冲, 应变钻石, 超快激光, 拉曼散射, 量子材料