超连续谱增强太赫兹光谱技术(SETS)：突破单次测量带宽限制的定量诊断新方法

单次太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术因窄带探测导致的"啁啾失真"问题长期制约其定量分析能力。美国研究人员提出超连续谱增强太赫兹光谱(SETS)技术，通过宽带超连续探针将可用带宽从1.5 THz提升至2.3 THz，失真降低50%，并消除频谱空频点。该技术成功应用于氩等离子体和水蒸气测量，实现电子密度、碰撞频率与吸收光谱的同步检测，为动态反应介质的高分辨率诊断提供新方案。

　　

在探索超快非重复性现象（如光谱相变、相对论性过程或等离子体物理）时，科学家们亟需能在皮秒时间尺度捕捉动态过程的光学诊断工具。单次太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术融合了激光吸收测量与干涉测量的优势，但其定量应用长期受制于"啁啾失真"这一根本性瓶颈——当使用窄带啁啾探针进行光谱编码时，有限的带宽会扭曲太赫兹信号，导致测量带宽与光谱分辨率此消彼长的矛盾。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Charan R. Nallapareddy和Thomas C. Underwood团队在《Nature Communications》发表创新研究，提出超连续谱增强太赫兹光谱(SETS)技术。该技术通过引入可调带宽的超连续探针，成功突破传统单次测量的物理限制，将太赫兹诊断推进到真正定量化的新阶段。

研究采用三种核心技术：基于光学参量放大器的太赫兹产生系统（使用500μm厚PNPA有机晶体实现>4%转换效率）、电光调制检测系统（2mm厚<110> ZnTe晶体），以及创新的超连续谱生成模块（6mm蓝宝石晶体产生45nm带宽探针）。实验通过对比传统延迟线扫描、窄带啁啾探针单次测量与SETS方法的性能差异，结合光谱编码算法模拟，系统验证了技术优势。

【结果与讨论】

超连续谱改善太赫兹脉冲提取
实验数据显示，当探针带宽从22nm（窄带啁啾）增至45nm（超连续谱）时，失真因子β从1.22降至0.64。时域信号保真度的提升直接反映在频域特性上：在保持0.3 THz光谱分辨率不变的情况下，可用带宽Δω从1.5 THz扩展至>2.2 THz。通过建立β∝1/√(T_c
T₀
)的定量关系，证实延长啁啾脉宽T_c
与减小变换极限脉宽T₀
的协同优化策略可突破带宽限制。

超连续谱对吸收光谱的影响
在70cm长水蒸气吸收池实验中，2ps测量窗口下的传统单次测量因0.3 THz分辨率导致>80%浓度拟合误差。模拟表明将T_c
延长至250ps（对应4GHz分辨率）并结合超连续探针（T₀
<1fs）可准确解析H₂
O转动谱线。关键发现是探针带宽决定频谱"空频点"分布——窄带探针的空频点会与吸收峰重叠，而超连续谱能消除此类干扰，使水蒸气浓度测量不确定度降低8倍。

超连续谱对相位谱的增强
在27.12MHz射频等离子体（220mTorr，150-500W）诊断中，SETS将相位线性范围从1.4THz（窄带）扩展至>2THz。通过Drude模型拟合相位差ΔΦ，实现了10cm路径积分电子密度n_e
的精确测量：当T_c
从2ps增至100ps时，分辨率从10¹⁷
m^-3
提升至5×10¹⁵
m^-3
。研究同时发现当碰撞频率ν_en
较高（ω_p
/ν_en
?1）时，分辨率提升会达到平台期。

这项研究开创性地解决了单次太赫兹诊断中带宽与分辨率不可兼得的世纪难题。SETS技术通过超连续探针的可调带宽特性，首次实现β（失真）、Δω（带宽）和δω（分辨率）三个关键参数的解耦控制。其意义不仅体现在等离子体诊断精度的数量级提升，更开辟了在燃烧诊断、材料科学等领域监测超快动态过程的新途径。研究者特别指出，该技术的性能天花板仅受太赫兹本征带宽或电光晶体相位匹配限制，通过进一步优化探针参数，有望实现亚GHz级分辨率的单次测量，为极端条件下物质性质研究提供前所未有的诊断工具。