近年來(lái)，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的太赫茲光譜技術(shù)正經(jīng)歷從弱場(chǎng)線性表征向強(qiáng)場(chǎng)非線性操控、從一維靜態(tài)譜學(xué)向多維相干動(dòng)力學(xué)的跨越。二維太赫茲相干光譜技術(shù)通過(guò)解析兩束強(qiáng)場(chǎng)太赫茲脈沖激發(fā)下的非線性響應(yīng)，可直接探測(cè)材料中集體激發(fā)模式的微觀耦合路經(jīng)。然而，如何高效產(chǎn)生并獨(dú)立調(diào)控兩束高場(chǎng)強(qiáng)太赫茲脈沖，一直是制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心、北京大學(xué)與上海交通大學(xué)聯(lián)合研制了一套兼具高能量轉(zhuǎn)換效率與參數(shù)完全可調(diào)的新型二維太赫茲光譜平臺(tái)。該系統(tǒng)基于傾斜波前技術(shù)，在兩塊獨(dú)立的鈮酸鋰晶體中產(chǎn)生雙束強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源。通過(guò)引入潛望鏡式線柵合束器，不僅大幅保留太赫茲的電場(chǎng)強(qiáng)度，還借助雙反射鏡的獨(dú)立對(duì)準(zhǔn)自由度，實(shí)現(xiàn)兩束太赫茲光在樣品及探測(cè)區(qū)的高效共線耦合。該光路可以對(duì)雙脈沖的偏振態(tài)、中心頻率及電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行獨(dú)立控制，顯著提升了二維太赫茲相干光譜的實(shí)驗(yàn)靈活性。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的探測(cè)能力，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)測(cè)量了摻雜硅單晶在雙頻太赫茲脈沖激發(fā)下的非線性混頻效應(yīng)。通過(guò)頻率矢量分析，實(shí)驗(yàn)不僅在室溫下清晰分辨出高達(dá)十一階的非線性響應(yīng)信號(hào)，更揭示了高階信號(hào)的偏振依賴特性。以往在半導(dǎo)體中觀測(cè)此類高階太赫茲非線性過(guò)程，通常必須依賴大型自由電子激光裝置的極端場(chǎng)強(qiáng)或低溫環(huán)境。該結(jié)果證實(shí)了基于桌面激光器的太赫茲二維光譜平臺(tái)在驅(qū)動(dòng)并解析復(fù)雜高階非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)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(cè)量時(shí)序與調(diào)制原理。（c-d）硅單晶在室溫下的二維時(shí)域和頻域非線性信號(hào)。

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(tài)物質(zhì)的復(fù)雜低能激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)非微擾現(xiàn)象提供了高靈敏度的表征平臺(tái)。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(fā)表在《Review of Scientific Instruments》。中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪信波副研究員及北京大學(xué)特聘副研究員時(shí)立宇為論文的共同一作，物理所汪信波副研究員、北京大學(xué)/上海交通大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）的大力支持。

編輯：ThymolBlue