专利名称：一种产生超强太赫兹辐射的装置及方法
技术领域：
本发明属于强场和超快物理技术领域，具体地说，本发明涉及一种产生高功 率太赫兹辐射的装置及方法。
背景技术：
目前有关太赫兹(THz， 1012赫兹)电磁辐射的产生和应用受到物理学界广 泛关注。THz辐射的频率介于可见光和微波之间。凝聚态物质的声子频率、大分 子的振转频率在THz波段有很多特征指纹谱，并包含着非常丰富的物理和化学信 息。因此，在物理、材料、生物、信息等领域，用THz辐射对研究对象进行扫描 成像和光谱检测有着广泛的应用前景。但是，由于基于激光与固体材料作用产生 的THz辐射受转换效率低和材料破坏阈值的限制，目前的技术难以获得高功率的 辐射，无法满足在某些重要应用方面的需求。譬如快速二维空间实时成像，强场 凝聚态物理等研究需要场强达到100MV/m的THz辐射。为此，人们一直在寻找可 以产生超强THz辐射的新方案。国际上一些重要研究机构都在开展用等离子体和 高能电子加速器来产生超强THz辐射的研究。譬如，德国柏林电子储存环同步辐 射公司通过利用超短脉冲电子束获得超强的相干THz辐射；美国劳伦斯伯克利实 验室的科学家利用强激光产生的超短脉冲电子束穿过介质表面，产生超强的THz 辐射；美国的几个国家实验室联合研究把超短脉冲激光辐照砷化镓产生超短电子 束，经过加速后通过同步辐射产生超强的THz辐射。上述方案一般需要电子加速 器装置，成本高昂，体积过大,一般小型实验室难以获得，同时THz辐射产生的效 率不够高,相干性较难控制。等离子体作为一个非线性介质，有望可以用来产生超强太赫兹辐射。由激光 脉冲有质动力在稀薄等离子体中激发的电子等离子体波，其电场振幅可达 100GV/m，这种大振幅等离子体波的典型振动频率在太赫兹附近。理论和数值模 拟表明，在一定条件下，这种大振幅的电子等离子体波，可以通过模式转换，部 分地转换成THz电磁辐射。这种方案采用了大尺度不均匀等离子体作为THz辐射 产生介质。另一种将电子等离子体振荡转换成电磁辐射的办法是采用激光照射很薄的 均匀等离子体层，如图1所示。如果等离子体层2的厚度D趋近于THz辐射的 波长人TH，等离子体密度在1016 1018/cnf3，那么激光驱动的电子等离子体振荡可 以部分地转换成THz频段的电磁辐射。数值模拟研究也表明，当激光1以入射角 a入射到稀薄等离子体层2时，当D趋近于人TH时产生两个强度相当的THz脉冲 3、 4， 一个沿着激光入射方向，另一个在入射激光对于等离子体薄层的镜面反射 方向。此外，THz辐射的振幅与入射角的正弦值成正比。这个方案可以产生单周 期的THz辐射，并且其辐射强度与前一种方案相当。本发明主要采用了后一种THz辐射的产生原理，通过强激光的作用产生高强 度的THz辐射。发明内容本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种尺寸小、且具有高转换效 率的产生高强度THz辐射的装置和方法。为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案 一种产生超强太赫兹辐射的装置，包括 一气体填充管；一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层 和电离气体层；以及一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，所述泵浦激光脉冲通过所述气体填 充管的侧壁多次反射，反复作用到所述电离气体层。上述技术方案中，所述真空层位于所述气体填充管的中心，所述真空层周围 形成电离气体层。上述技术方案中，所述气体填充管的侧壁采用对泵隔激光反射率大于90% 的材料制作；所述气体填充管的两端为对激光和太赫兹辐射透明的材料制作的镜 面。上述技术方案中，所述气体填充管的轴线方向与所述电离激光器的激光出射 方向相同；所述气体填充管的轴线方向与所述泵浦激光器的激光出射方向的夹角 大于0度，小于30度。上述技术方案中，所述气体填充管的内侧壁至少具有两个平行面；所述电离 气体层和与真空层的交界面也至少具有两个平行面，且该两个平行面与所述气体 填充管的内侧壁的两个平行面平行。上述技术方案中，在所述各平面的法线方向上，所述真空层的厚度与位于其 两侧的电离气体层的厚度均相等。上述技术方案中，所述真空层的厚度与两侧的电离气体层的厚度也可以不 等，电离气体层的密度密度分布可以不均匀，由此产生的THz辐射不是准单周 期的，但仍可以产生高功率的THz辐射。上述技术方案中，所述气体填充管的激光入射端面与所述泵浦激光器的激光 出射方向垂直。一种产生超强太赫兹辐射的方法，包括如下步骤1) 电离激光器发出中等强度的激光脉冲；该激光脉冲沿着气体填充管的轴 向传播，在其经过的路线上形成真空层，两侧形成电离气体层；2) 经过纳秒量级的时间延迟后，泵晡激光器发出强激光脉冲，该脉冲以一 定角度射入气体填充管，在气体填充管内经多次反射激发出超强的准单周期太赫 兹相干辐射。上述技术方案中，所述步骤1)中的中等强度的激光脉冲的强度低于 1016W/cm2，高于103W/cm2;其脉宽在皮秒量级。上述技术方案中，所述步骤2)中的高强度激光脉冲的强度大于10I7W/cm2， 脉宽在皮秒(10—12秒)量级，其入射方向与气体填充管的轴向的夹角大于O度， 小于30度。本发明具有如下技术效果本发明采用的等离子体本身是完全电离的准中性 介质，不存在被入射激光损坏的阈值(所谓材料的损坏阈值是指当入射激光强度 高到一定程度，将材料损坏对应的激光强度)，可以产生100MW量级的THz辐 射；通过两个入射激光脉冲间适当时间延迟控制，来控制腔管内气体密度的分布， 使腔管内产生的单周期太赫兹脉冲实现相干叠加放大，产生准单周期的THz脉 冲。另外，通常采用电光晶体、半导体和光导天线，通过光整流等方法产生THz 辐射的能量转换效率为10—6，而本发明的方案则有望将转换效率提高到10—4以上。再者，本发明还能够在台面尺度产生超强THz辐射。
图1是激光脉冲作用于单个薄层等离子体层产生的太赫兹辐射原理图；图2a是激光脉冲作用于两个薄层等离子体层产生的太赫兹辐射原理图，其中 稀薄等离子体层的厚度D〗与两等离子体层的间距D2不同，两等离子体层的外侧 是可以对入射激光有高反射率的金属；图2b是与图2a类似，其中等离子体层的厚度与两等离子体层的间距相同， 均为D;图3a是本发明的气体填充管结构设计图和原理图；图3b气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的一种状态；图3c气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的另一种 状态；这是最理想情况，可以产生准单周期THz辐射；图3d气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的又一种 状态；图3e气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的第四种 状态；图4a是本发明的工作示意图，其中采用的气体填充管两端平行；图4b是本发明的工作示意图，其中采用的气体填充管两端面不平行；这种设 计可以避免THz辐射的出射方向与入射激光的出射方向沿同方向出射。
具体实施方式
本发明是通过多次反射使得同一泵浦激光脉冲反复作用到等离子体薄层上， 从而激发出多个相干的太赫兹辐射，通过调整各反射点的位置，即可将各相干的 太赫兹辐射叠加而形成一个超强的太赫兹辐射。本发明的基本构思如下-如图1所示，如果只有单个的等离子体薄层，激光脉冲只作用一次，产生的太赫兹辐射效率比较低。如图2a，如果有两个等离子体层，并且在等离子体层 的外侧用高发射率的金属来发射激光脉冲，那么每反射一次，就产生两个单周期 的太赫兹脉冲，能量转换效率提高一倍。如果有N次反射，其转换效率就是单次 作用的N倍。其次，如果等离子体层之间的间隔D2与等离子体层的厚度Dl相当， 即厚度均为D，如图2b所示，此时激光各次反射产生的太赫兹辐射实现同步， 从而产生相干叠加。其经过叠加后的电场振幅是单次反射产生的电场的N倍，功 率是^倍。因此，本发明能够产生功率达到100MW的超强太赫兹辐射。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。 实施例1本实施例的产生超强太赫兹辐射的装置，包括气体填充管、泵浦激光器和电 离激光器。其中，气体填充管的侧壁采用对泵浦激光反射率很高(如反射率大于卯％)的金属材料制作(本实施例中采用铜，也可采用其他金属或合金；另外如 在上述材料表面镀金可提高反射率)。两个端面(即气体填充管的入射端面和出 射端面)均为镜面，采用石英玻璃等对入射激光和THz辐射高透射的材料制作。 所述气体填充管的轴线为直线，该轴线与气体填充管的入射端面呈夹角a。所述 入射激光器的激光输出方向垂直于所述入射端面。所述电离激光器的激光输出方 向与所述气体填充管的轴线方向一致且与该轴线共线。所述气体填充管的横截面为矩形，长、宽分别为2人th、 Xth的整数倍(这里的XTH是所希望产生的太赫兹辐射的波长)。本实施例中，长、宽取值分别为600^m 和300pm (假设XTH-10(^m，对应的THz辐射频率为3THz)。而气体填充管的 长度一般大于10XTH，由于辐射能量正比于管子的长度，所以在一定范围内，越 长越好。但随着管子的长度加长，激光反射次数的增加，产生的THz辐射的相 干叠加变得越来越难以实现，最后产生的THz辐射的相千性变差。所以气体填充管的长度也不能太长，譬如一般小于30人th。所填充气体为一般气体(如氢气)，其密度取决于所希望产生的太赫兹频率， 一般为1016 1019cm—3。 (THz频率与密 度关系为fITHZ] = 9X10-9n1/2 [cnf3]， 譬如密度n=1016 cm'3，辐射频率为 0.9THz)。所述电离激光器产生的激光射入气体填充管后，由于热膨胀作用，气体填充8管中形成中空密度分布的电离气体。即在气体填充管中心产生一真空层，其周围 形成电离气体层(即等离子体层)。电离激光脉冲的理想的横截面分布是正方形。 这可以将入射电离激光通过一个正方形光栏来实现。由此形成的真空层的横截面 为正方形，而且其边缘与气体填充管的金属包层(即金属侧壁)平行。如图3a 所示，在所述入射激光的入射平面上，所述真空层上下两侧均为电离气体层。本发明的气体填充管两个端面可以是平行(如图4a所示，该图中0为电离 激光脉冲、1为泵浦激光器脉冲、3为沿泵浦激光入射方向产生的太赫兹辐射、4 为沿泵浦激光镜面反射方向产生的太赫兹辐射、5为电离激光器、6为泵浦激光 器)，也可存在一定的夹角(如图4b所示，该图中0为电离激光脉冲、l为泵浦 激光器脉冲、3为沿泵浦激光入射方向产生的太赫兹辐射、4为沿泵浦激光镜面 反射方向产生的太赫兹辐射、5为电离激光器、6为泵浦激光器)，此时太赫兹辐 射的出射方向与激光脉冲不同。利用本实施例的装置产生超强太赫兹辐射的方法包括如下步骤1) 电离激光器发出中等强度的激光脉冲；该激光脉冲沿着气体填充管的轴 向传播，在其经过的路线上形成真空层，两侧形成电离气体层。本步骤中的中等 强度的激光脉冲的强度低于1016W/cm2,高于1013W/cm2;其脉宽在皮秒(l(T12 秒)量级。2) 经过纳秒(10'9秒)量级的时间延迟后，泵浦激光器发出强激光脉冲射 入气体填充管，在气体填充管内经多次反射激发出超强的准单周期太赫兹相干辐射。本步骤中的高强度激光脉冲的强度大于l(Pw/cm2，脉宽在皮秒(10—12秒) 量级，其入射方向与气体填充管的轴向有一夹角，通常小于30度(即入射激光 在真空层与电离气体层的界面上的入射角大于60度)。泵浦激光的聚焦光斑尺寸 应该接近或大于一个THz波长，对产生3THz辐射(对应等离子体电子密度为n =1017cm'3)，聚焦光斑在100nm左右。在步骤l)发出的电离激光脉冲作用后，在激光传输的光轴附近通过光电离、 碰撞加热等将气体部分电子并将其温度提高。由此形成一个与电离激光光轴垂直 的横向激波。由于激波的作用，气体密度经过纳秒(10'9秒)量级时间演化后， 形成如图3b， 3c， 3d， 3e等不同的分布。不管是怎样的密度分布，泵浦激光的 作用都能使电离气体辐射出高强度THz辐射。由于电离气体层的厚度在THz辐射波长量级，泵浦激光每与电离气体作用一次都产生一个准单周期的THz脉冲。在 图3c这种密度下(主要通过控制电离激光与泵浦激光之间的时间延迟实现)，产 生的THz辐射有可能产生相干叠加，产生准单周期的脉冲，否则产生多周期脉冲。 其中准单周期THz辐射在时域频谱分析方面更有价值。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽 管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本 发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范 围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种产生超强太赫兹辐射的装置，包括一气体填充管；一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层和电离气体层；以及一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，所述泵浦激光脉冲通过所述气体填充管的侧壁多次反射，反复作用到所述电离气体层。
2、 按权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，所述真 空层位于所述气体填充管的中心，所述真空层周围形成电离气体层。
3、 按权利要求2所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，所述气 体填充管的侧壁采用对泵浦激光反射率大于90%的材料制作；所述气体填充管 的两端为对激光和太赫兹辐射透明的材料制作的镜面。
4、 按权利要求2所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，所述气 体填充管的轴线方向与所述电离激光器的激光出射方向相同；所述气体填充管的 轴线方向与所述泵浦激光器的激光出射方向的夹角大于0度，小于30度。
5、 按权利要求2所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，所述气 体填充管的内侧壁至少具有两个平行面；所述电离气体层和与真空层的交界面也 至少具有两个平行面，且该两个平行面与所述气体填充管的内侧壁的两个平行面 平行。
6、 按权利要求5所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，在所述 各平面的法线方向上，所述真空层的厚度与位于其两侧的电离气体层的厚度均相 等。
7、 按权利要求3所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于，所述气 体填充管的激光入射端面与所述泵浦激光器的激光出射方向垂直。
8、 一种产生超强太赫兹辐射的方法，包括如下步骤.-1) 电离激光器发出中等强度的激光脉冲；该激光脉冲沿着气体填充管的轴 向传播，在其经过的路线上形成真空层，两侧形成电离气体层；2) 经过纳秒量级的时间延迟后，泵晡激光器发出强激光脉冲，该脉冲以一定角度射入气体填充管，在气体填充管内经多次反射激发出超强的准单周期太赫 兹相干辐射。
9、 按权利要求8产生超强太赫兹辐射的方法，其特征在于，所述步骤l) 中的中等强度的激光脉冲的强度低于1016W/cm2，高于1013W/cm2;其脉宽在皮 秒量级。
10、 按权利要求8产生超强太赫兹辐射的方法，其特征在于，所述步骤2) 中的高强度激光脉冲的强度大于l(^W/cm2，脉宽在皮秒(10—12秒)量级，其入 射方向与气体填充管的轴向的夹角大于O度，小于30度。
全文摘要
本发明涉及一种产生高功率太赫兹辐射的装置及方法，其装置包括一气体填充管；一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层和电离气体层；以及一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，以激发出多个相干的太赫兹辐射并最终叠加成一个超强太赫兹辐射。本发明具有如下技术效果本发明采用的等离子体本身是完全电离的准中性介质，不存在被入射激光损坏的阈值，可以产生100MW量级的THz辐射；通过两个入射激光脉冲间适当时间延迟控制，来控制腔管内气体密度的分布，使腔管内产生的单周期太赫兹脉冲实现相干叠加放大，产生准单周期的THz脉冲；转换效率大幅提高，并且可在台面尺度产生超强THz辐射。
文档编号H01S3/081GK101335425SQ20071011781
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者杰 张, 武慧春, 盛政明 申请人:中国科学院物理研究所