我國自主研制的首台太赫茲自由電子激光裝置（CTFEL）于2017年底在成都飽和出光並投入運行，標志著我國的太赫茲科技已正式步入自由電子激光時代。近期，中科院合肥研究院彩票汇計算物理與量子材料研究部徐文課題組與中國工程物理研究院合作，應用CTFEL裝置，開展了電子材料的太赫茲動力學特性研究，相關成果以“Picosecond terahertz pump-probe realized from Chinese terahertz free-electron laser”爲題，作爲封面及亮點文章發表在Chinese Physics B（2020，DOI: 10.1088/1674-1056/ab961b）上。

電子能量弛豫時間是電子材料的關鍵物理參數之一。利用CTFEL特有的太赫茲脈沖結構（特別是皮秒脈寬微脈沖結構），研究人員搭建了首創的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”系統（圖1），並基于此系統測量了半导体材料的泵浦-探測特性以及電子能量弛豫時間，研究了室溫下高遷移率n-GaSb晶體在不同自由電子激光輻照頻率下的動力學電子特性。結合理论模型的拟合（圖2）發現，在1.6 THz（輻照功率爲10 W）和2.4 THz（輻照功率爲25 W）激光輻照下獲得n-GaSb晶体的電子能量弛豫時間分别为2.92 ps和2.32 ps，這些結果與應用四波混頻技術得到的實驗結果一致。研究表明，在強太赫茲自由電子激光輻射下，電子-声子散射诱导的热电子效应或非线性电子响应会导致半导体材料中電子能量弛豫時間的减小，此时电子从辐射激光场获得能量，通过发射声子(或晶格振動)耗散能量。當聲子發射的能量損失率小于光子吸收的能量增益率時，材料中的電子會被加熱，從而使電子弛豫時間減小。

与其它超快光电探測技术比较，“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”在電子和光電子材料研究中具有如下優勢：（1）不涉及光生載流子和相關激子效應，可以測量自由電子的動量和能量弛豫動力學過程；（2）實現單色太赫茲泵浦和探測，无需对測量数据进行傅里叶变换来分析实验结果；（3）結合自由電子激光的頻率連續可調性，實現對太赫茲泵浦-探測的辐照頻率選擇。該研究取得的结果表明，基于自由電子激光的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”技术，可为电子和光电子材料的动力学特性研究提供新的測量方法，拓寬了脉冲型太赫兹自由電子激光的应用研究领域。

由于該工作是在CTFEL裝置上取得的首项可公开发表的应用研究成果，论文所有作者一致同意将該工作在国内期刊发表。本研究工作得到了国家基金委NSAF聯合基金項目的支持。

論文鏈接：http://cpb.iphy.ac.cn/EN/10.1088/1674-1056/ab961b

圖1. 基于CTFEL裝置的“單色皮秒太赫茲泵浦-探測”系統光路圖。

圖2. 在1.2、1.6 和2.4 THz自由電子激光輻照下n-GaSb晶體的光透射泵浦-探測特性。粗糙线为原始实验数据，平滑线为理论拟合结果。