科学研究

近日，北航国新院吴晓君教授团队在ACS旗下高水平期刊ACS Photonics上发表了题为Intense Spintronic Terahertz Emitter for Large-Area Imaging的研究型论文，通过优化自旋太赫兹发射器和泵浦激光的参数，将自旋太赫兹单脉冲能量提升到了1.46μJ。并搭建了一套大面积的无损检测系统，对有无瓦楞纸板覆盖的图形化金属板进行成像，两者的成像结果基本保持一致，证明了这种超宽带、低成本太赫兹发射器具有重要的应用价值。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c01837

研究背景

自旋太赫兹发射器（Spintronic Terahertz Emitters，STEs）因其超宽带、低成本、易于集成和便于使用等优势，成为下一代太赫兹源的有力竞争者。虽然目前由飞秒激光驱动的STEs光源特别是W(2nm)|Co₂₀Fe₆₀B₂₀(2nm)|Pt(2nm)三层异质结组成的STEs，在常规kHz飞秒激光放大器的泵浦下已经可以产生聚焦THz场强大于1MV/cm的聚焦峰值电场。但是，单脉冲能量依然处于nJ量级，还没有突破μJ，且相关的应用场景还有待进一步探索。

核心发现

使用磁控溅射方法在4-inch高阻硅衬底上成功制备了W(2nm)|Co₂₀Fe₆₀B₂₀(2nm)|Pt(2nm)三层异质结，通过在衬底和异质结中间巧妙地加入用于反射泵浦光的宽带一维光子晶体结构[HfO₂(92nm)|SiO₂(136nm)]_x，形成了对泵浦激光的完美吸收，从而使THz发射效率获得了极大提升。

图1：基于一维光子晶体结构增强的STEs样品及实验光路

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图2：4-inch Si-PC-STEs样品发射性能测试结果

为了充分利用STEs大面积的优势，我们在北京怀柔综合极端条件实验室提供的TW激光器上，在800nm, 25fs, 50mJ泵浦能量下，将STEs发射的THz脉冲的聚焦峰值场强和单脉冲能量分别提高到了1.05MV/cm和1.46μJ。

图3：怀柔极端实验室50mJ能量泵浦的STEs实验结果

在此基础上，利用该样品进行了透射式成像实验，通过对比有无瓦楞纸板覆盖样品的成像结果，验证了该样品应用于无损检测的巨大潜力。

图4：4-inch THz透射成像演示实验

应用前景

此项技术展现出了卓越的灵活性与广泛应用的潜力，可为下一代太赫兹源提供全新的选择。这种大尺寸、超宽带、低成本、易集成的自旋太赫兹发射器光源在光谱分析、物态调控、生物学效应等方面拥有重要的应用前景。

北航国新院国际太赫兹科创中心面向太赫兹交叉学科领域的世界科学前沿和国家重大需求，针对太赫兹领域缺乏高效率辐射源、核心器件和系统集成技术等国际公认科学难题与挑战，开展高功率强场太赫兹光源辐射理论与技术研究、新材料与新结构太赫兹器件研制、太赫兹近场光学、太赫兹系统集成技术及应用等，以项目为载体，用高水平科学研究结合高层次国际学术交流，培养高质量太赫兹卓越人才，推动高协同转移转化，打造国际太赫兹科学研究圣地、人才培养基地、成果转化高地。

吴晓君教授团队学术研讨会合影

（审核：董卓宁 陈龙飞 吴晓君）