专利名称：一种产生强太赫兹辐射的装置和方法
技术领域：
本发明属于强场物理技术领域，具体地说，本发明涉及一种能稳定产 生高功率太赫兹辐射的装置和方法。
背景技术：
太赫兹(THz， 1012赫兹)电磁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、生物大分子的振转频率的很多特征指紋谱处于THz波段， 用THz波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。因此， THz辐射的产生和应用受到物理、材料、生物、信息'等多个领域的强烈关注。 但是，目前基于激光与固体材料作用产生的THz辐射受低转换效率和材料破 坏阈值的限制难以获得高功率的输出，无法满足众多重要应用的需要。譬如 无扰动THz电子光学，非线性THz光i普学，稠密物质、半导体和纳米材料中 的强非线性物理学等研究需要场强达到100MV/m的THz辐射。这种强度的THz 波目前是通过高能电子加速器来产生。但电子加速器装置成本高昂、体积过 大，一般的实验室和个人难以获得，同时产生的THz辐射频率、强度、波形很 难控制。所以人们一直在寻找能稳定产生超强太赫兹辐射的方法。
等离子体是一种具有高破坏阔值的材料。最近，多个实验结果表明，用 激光脉沖辐照稀薄等离子体(或气体)可以产生THz辐射，因此，等离子体
有希望成为超强太赫兹波的辐射源。目前实验表明，用一束基频激光脉冲 混合另一束两倍频激光脉沖，然后两束激光同时照射在稀薄气体上可以产 生THz辐射，此方案被称为双色激光方案。双色激光方案是利用气体被激 光电离的瞬间，电子感受(experience)到不为0的激光场而形成了净的横 向电流，此电流产生了 THz波。所以此方案极度依赖于气体电离的细致过 程，但气体电离过程很复杂、很难控制和预测，所以产生的THz波的强度 对入射激光的依赖不强(入射激光强度不能控制或不能决定产生的THz 波强度，例如用更强的入射激光可能产生更弱的THz波)这对实际应用很 不利。同时，双色激光方案不仅仅需要基频激光，也需要倍频激光，实验 中产生倍频激光往往是从基频激光分离出一部分激光，让这部分激光经过电光晶体而转换成倍频激光，此转换效率很低，从而浪费了大量的激光能 量，同时也大大的增加了实验操作的复杂性。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种小尺度、高转换效率、
能稳定产生高强度THz辐射的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明提供的产生超强太赫兹辐射的装置，包括 一个气体填充管；
一个激光器，用于生成不对称激光脉沖并将所述不对称激光脉冲入射到 所述填充管，所述不对称激光脉冲传播方向与所述气体填充管的轴线方向相 同；所述不对称激光脉冲的能量高于所述填充管中气体的电离势能。 上述技术方案中，所述气体填充管中的填充气体是氢气或氦气。 上述技术方案中，所述气体填充管横截面为圆形，截面半径取为激光焦 扭王半径的2到4 ^咅。
上述技术方案中，所述激光脉沖可以为整体不对称的激光脉沖也可以为 每个周期均不对称的激光脉冲，例如啁，秋脉冲，几个周期或单周期的超短脉 冲，脉冲前沿和后沿不对称的脉冲等各种不对称激光脉冲。
为实现上述发明目的，本发明提供的产生超强太赫兹辐射的方法，包括 如下步骤
1) 向填充管中填充气体；
2) 气体填充完毕时，让激光器发出不对称激光脉冲；所述不对称激光 脉冲沿着气体填充管的轴向传播，并且所述不对称激光脉冲的能量高于所述 填充管中气体的电离势能。
上述技术方案中，所述步骤l)中，还包括选择填充的气体密度，让它 完全电离后得到的等离子体电子密度在1015-10180^3范围内(对应着频率为 0. 1-10THz范围内的THz辐射)。
上述技术方案中，所述步骤l)中，所述等离子体电子密度^与产生的THZ辐射频率w,相对应，叫^-jl^X,其中e和气分别为高斯单位制下 的电子电量和质量。
上述技术方案中，所述步骤2)中的强激光脉沖的峰值强度大于
10'6『，—2。
本发明具有如下技术效果本发明利用等离子体几乎可以承受任意高功 率激光的作用而不被破坏的特性，可以稳定产生100MW量级THz辐射；由于 本发明只需要提供一束不对称的基频激光，并且产生THz波完全不依赖于 气体的电离过程，克服了双色光方案中存在的弊端，得到的THz辐射的波 形固定为单周期脉冲，其频率和强度具有^(艮好的可控性和稳定性。采用本发 明的方案，得到THz辐射的转换效率能够达到10-5。此外，本发明采用的装 置和步骤简单，并能够在桌面尺度的装置下产生超强THz辐射。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中
图1激光脉冲作用气体充气管中的稀薄气体(或等离子体)，产生太赫
兹辐射的原理图。
图2得到的THz辐射的振幅随激光的无量纲振幅(单位为,2/e )的变 化曲线，其中等离子体电子密度为"^2.78x1016，-3。
图3相同的啁啾激光脉冲在不同密度的等离子体中产生的THz辐射波形 图及相应的频谱图，其中激光脉冲的振幅a。为0. 02, c = l， r。和叫分別为激 光周期和角频率。
具体实施例方式
与现有技术的普通激光不同，本发明是利用不对称激光脉沖作用等离子 体来产生强THz辐射的。
为了便于进一步地理解本发明，现阐述本发明的基本原理如下。 用不对称激光脉冲作用稀薄等离子体时，电子在激光场中能得到有效的 净加速，很强的横向偏移电流能在激光尾部激发。此偏移电流受到等离子体 的调制，能辐射处于等离子体波频率^ ( 值由等离子体密度决定)的电磁波，当等离子体密度在1.2xl0'6，-3附近取值时得到的电磁辐射频率为1THZ 左右。由于此THz辐射的频率由等离子体密度这一个参^:决定，所以它的频 率也具有很好的稳定性。并且激发的偏移电流或THz波振幅与激光振幅成正 比，因此通过控制入射激光强度就能控制得到的THz波强度，同时由于此THz 辐射的强度由入射激光强度这一单一的参数决定，所以它的强度也具有很好 的稳定性。并且，用高功率的激光束就能稳定地激发超强的THz波。另外， 由于此THz辐射的频率为％ ，在等离子体内部仅距离等离子体真空边界一个 等离子体波长、范围内产生的THz辐射能有效的传播到真空中，所以得到的 THz辐射波形稳定地为单周期脉沖。因此，这种原理产生的THz波频率和强 度具有很好的可控性和稳定性，其波形也具有很好的稳定性。
本发明中，气体填充管中填充具有简单原子结构气体，如氢气或氦气等， 以便容易被完全电离成具有单一密度的等离子体。所述不对称强激光脉沖可 以是整体不对称的激光脉冲，也可以是每个周期均不对称的激光脉沖，例如 啁畔火脉冲、几个周期的超短脉冲、脉沖前沿和后沿不对称的脉冲等。
以下三个独立的实施例中产生超强太赫兹辐射的装置(均包括一个气体 填充管和一个激光器)和步骤相同，并且均采用强度大于1016『.，-2的激光， 气体填充管内均填充密度约为0.6 x1016 cm-3的氢气。那么氢气在激光的作用下 瞬间被完全电离，得到的等离子体电子密度约为1.2xl0"cm-"此等离子体在 入射激光的作用下，辐射频率lTHz的THz电f兹波。三个独立的实施例的区 别主要在于它们各自采用了不同类型的激光器。
实施例1
本实施例的产生强太赫兹辐射的装置包括 一个气体填充管； 一个激 光器，用于生成不对称激光脉冲并将所述不对称激光^i冲入射到所述填充管， 所述不对称激光脉沖传播方向与所述气体填充管的轴线方向相同；所述不对 称激光脉沖的能量高于所述填充管中气体的电离势能。本发明对气体填充管 管壁和两端材料都没有特殊要求， 一般的气体填充管即可，不失一般性，本 实施例中，可以选用普通的玻璃气体填充管，气体填充管横截面为圓形，此 圓截面半径取为激光焦斑半径的两倍，可以在十微米到几百微米间选取。图 1是激光脉沖作用气体充气管中的稀薄气体(或等离子体)，产生太赫兹辐射 的原理图。其中l为入射激光，2为气体充气管，3和4为产生的太赫兹辐射。
本实施例中，采用啁啾激光脉沖入射，其电场
0, of/^r
"。禪。印+②]sin[《/a 0"<《其中卜x一"， e和，为电子
电量和静止质量，c为真空中的光速，叫为激光的角频率，A。-叫A, ^表示
z方向单位矢量，C为啁啾参数，Zf = "I + 4C《_ 1)/2C为取啁啾参数为C时对
应的脉冲宽度，《表示c二o时的脉沖宽度。才艮据上述激光电场的表达式，可 以积分求得电子经过整个激光脉沖的作用，获得的速度增量。例如《"(U。
时，取C = -0.024和C = 1.0 ,电子的净偏移速度^分别为-0.0413& 和
0.0115"。^^。
THz波振幅^正比于电子的净偏移速度i^ ,即。=-0.024或
匸=1.0时分别有57. oc-0.0413"。《和^oc 0.0115a。《。所以THz波振幅正比于入射 激光振幅"。，并且此THz波与入射激光具有相同的偏振。于是，利用产生的 THz波振幅与入射激光振幅的这种线性定标关系，控制入射激光振幅就能控 制得到的THz波振幅。
粒子模拟验证了上述分析结果。得到THz辐射振幅随入射光振幅的变化 曲线见图2。从图2中可以看出，无论采用正啁啾脉冲还是负啁啾脉沖入射， 得到的THz辐射振幅均随激光振幅线性增长。并且两条曲线的斜率比值与分
析结果A—c，-麵=_3.59符合的很好。这就说明了采用这种方案，只需要
IC=I
选取入射激光的强度就能很好的确定得到的THz辐射强度。另外，为了说明 采用这种方案，得到的THz辐射具有一个单周期的特定波形和其频率唯一的 由等离子体密度决定。在另一个粒子模拟试验中，如图3所示，改变等离子 体密度(测量等离子体密度的技术在实验上已经很成熟，例如用光学的干涉， 衍射能准确的测量出等离子体密度)，得到的THz辐射均为近单周期脉冲， 并且它们的频率与等离子体频率一致。等离子体稳定存在的时间尺度为皮秒 量级即l(Ts，而太赫兹波产生的时间尺度由激光脉沖长度决定，同时本实 施例要求的这种高强度的激光脉冲的脉冲长度通常为几十个飞秒(量级为 10—15s),所以相对于太赫兹波产生所需要的时间，等离子体状态是稳定的。说明书第6/8页
实施例2，单周期激光脉沖
本实施例与实施例1基本一致，区别仅在于使用了不同种类的不对称激
光脉冲。作为利用单周期或少周期激光脉冲产生强THz波的一个具体例子，
本实施例采用单周期激光脉冲，设其激光电场
，叫e "o sin(&《+ gi) sin2 [《/义。],0 <《 < 义0
0， ，其中^为载波包络相位。初始速
度为O的电子经过此激光脉沖的作用，得到净偏移速度为、=(，？ ^。sinP 。
e 2
理论和数值模拟均显示，THz波振幅^正比于电子的净偏移速度^，即 ",加。^^并且此THz波与入射激光具有相同的偏振。于是，利用产生的
THz波振幅与入射激光振幅的这种线性定标关系，控制入射激光振幅就能控 制得到的THz波^展幅了。另夕卜，THz波振幅还正比于sine,因此当S = (" + l/2>r 时能最有效的激发THz波，其中n表示整数。
这些分析结果，均由粒子模拟很好的验证，并且在模拟中得到的THz辐 射均具有一个单周期的特定波形和其频率唯一的由等离子体密度决定的特 征。
实施例3,脉沖前沿与后沿不对称的激光脉冲
本实施例与实施例1基本一致，区别仅在于使用了不同种类的不对称激 光脉沖。设脉冲前沿与后沿不对称的激光脉冲的电场为
sin2[;^/2Zr],—丄,《<0
sin2[;r(《+ 4)/2￡d + tt/2], -￡,《《<-々，其中^为脉冲前沿 0, o决w
宽度，^为脉沖后沿宽度。例如，当￡,=人，4〉>;1。时，初始速度为O的电子
& = ^附"。c a。 sin(&《)
经过此激光脉沖的作用，得到净偏移速度为^ = ^二~;当丄, >>义。，^ =义。时，
e 3
^ = -^^~。理论和数值模拟均显示，THz波振幅^正比于电子的净偏移 e 3
速度、或入射激光4^幅，即 oc"。/3并且此THz波与入射激光具有相同的偏振。于是，利用产生的THZ波振幅与入射激光振幅的这种线性定标关系，控
制入射激光振幅就能控制得到的THz波振幅了 。
这些分析结果，均由粒子模拟很好的验证，并且在模拟中得到的THz辐
射均具有一个单周期的特定波形和其频率唯一的由等离子体密度决定的特 征。
实施例4
本发明还提供了利用上述三个实施例的装置，产生强太赫兹辐射的方法。
具体步骤如下
1 )向气体填充管中填充密度大于0.6 x 10'6 cm-3的氲气。
在步骤1)中，可以让气体充入填充管后等待足够长的时间(如几分钟)
后再进行步骤2),可以让激光进入填充管时，气体密度均匀分布。这样即能 保证产生的THz波频率的单一，也能使在气体密度的平台区域产生的THz波 能更容易传出气体填充管所在的等离子体区域(气体填充管内即为等离子体 区域，这个区域以外就为真空区域或人们生活的大气环境也可以)。
2)气体填充完毕时，让激光器立刻发出峰值强度大于1016『，-2的强激 光脉冲，该激光脉沖沿着气体填充管的轴向传播。该激光瞬间完全电离气体 充气管中的氢气，并作用形成的等离子体，产生与此激光束传播方向相同和 相反方向传播的两束频率为lTHz, 10MF/cm量级的太赫兹辐射。
步骤2)应该在步骤1)结束后立刻执行，这是因为时间延迟会导致气 体膨胀在气体边界处的让气体密度梯度区域变大。因为产生的THz波强度与 入射激光强度成正比，所以THz波的横向形状与入射激光相同，因此可以把 入射激光的焦斑半径取得稍微大些(例如焦斑半径大于2(U。)，而填充管截 面半径取为激光焦斑半径的2到4倍，使得产生的THz波也具有较大的焦斑 半径，；同时这可以减小入射激光的横向有质动力排开光轴附近的电子，而 造成电子密度的横向分布不均匀，从而引起产生的THz波横向波形紊乱。考 虑到入射激光首先与左边界附近的气体作用而产生THz波(假设激光束从左 往右传播)，这个较早时刻的激光质量较好，且气体密度梯度较陡峭，从而 在气体左边界附近产生THz波质量和波形较好，所以可以主要收集和利用与 激光传播方向相反的方向上传播的那束高功率THz辐射。另外，本发明中，不对称激光的意思可以理解为激光脉冲的上升沿和 下降沿不对称，或者是一个激光周期内的正的半周期和负的半周期不对称， 或者是前两种不对称情况的混合。
最后应该说明，以上实施例仅用来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，但本领域的普通技术人员应当理 解，对本发明的技术方案进4亍^^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。
1权利要求
1.一种产生超强太赫兹辐射的装置，包括一个气体填充管；一个激光器，用于生成不对称激光脉冲并将所述不对称激光脉冲入射到所述填充管，所述不对称激光脉冲传播方向与所述气体填充管的轴线方向相同；所述不对称激光脉冲的能量高于所述填充管中气体的电离势能。
2. 根据权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于， 所述气体填充管中的填充气体是氲气或氦气。
3. 根据权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于， 所述气体填充管横截面为圓形，截面半径取为激光焦斑半径的2到4倍。
4. 根据权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于， 所述激光脉冲可以为整体不对称的激光脉冲也可以为每个周期均不对称的 激光脉冲。
5. 根据权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置，其特征在于， 所述不对称激光脉冲可以是啁啾脉沖，几个周期或单周期的超短脉冲，或者 脉冲前沿和后沿不对称的脉沖。
6. —种基于权利要求1所述的产生超强太赫兹辐射的装置的产生超强 太赫兹辐射的方法，其特征在于，包括如下步骤1) 向填充管中填充气体；2) 气体填充完毕时，让激光器发出不对称激光脉冲；所述不对称激光 脉冲沿着气体填充管的轴向传播，并且所述不对称激光脉冲的能量高于所述 填充管中气体的电离势能。
7. 根据权利要求6所述的产生超强太赫兹辐射的方法，其特征在于， 所述步骤l)中，还包括选择填充的气体密度，使得所述气体完全电离后得 到的等离子体电子密度在1015 -1018 cm-3范围内。
8. 根据权利要求7所述的产生超强太赫兹辐射的方法，其特征在于， 所述步骤1)中，所述等离子体电子密度"￡与产生的THz辐射频率叫&相对应<formula>formula see original document page 2</formula>其中e和气分别为高斯单位制下的电子电量和质量。
9. 根据权利要求6所述的产生超强太赫兹辐射的方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述不对称激光脉沖的峰值强度大于1016『^-2。
全文摘要
本发明提供了一种产生强太赫兹辐射的装置，包括一个气体填充管；一个激光器，用于生成不对称激光脉冲并将所述不对称激光脉冲入射到所述填充管，所述不对称激光脉冲传播方向与所述气体填充管的轴线方向相同；所述不对称激光脉冲的能量高于所述填充管中气体的电离势能。同时，本发明还提供了相应的产生强太赫兹辐射的方法。本发明可以稳定产生100MW量级THz辐射；得到的太赫兹辐射的波形固定为单周期脉冲，其频率和强度具有很好的可控性和稳定性。并且，本发明能够在桌面尺度的装置下产生超强THz辐射。
文档编号H01S3/00GK101677172SQ20081022255
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者杰 张, 王伟民, 盛政明 申请人:中国科学院物理研究所