本发明涉及太赫兹波技术、流体力学领域和激光领域，具体而言，涉及一种利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统和方法。
背景技术：
近几年，随着太赫兹辐射源技术的发展，大量研究成果均已经证明，固体晶体、金属材料、气体和等离子体均是良好的太赫兹辐射源。然而，从液体特别是液态水和物质溶液产生太赫兹波的研究成果寥寥无几。事实上，液态水或其他物质溶液作为各种电磁波的来源已经被研究了10多年。例如：通过超短脉冲激光聚焦到包含在细胞、射流或液滴中的水的非线性过程产生高次谐波和白光。此外，激光脉冲辐射的液态水的动力学已经被研究二十多年了。阻碍液态水或其他物质溶液成为太赫兹源的原因可能是因为液态水在太赫兹频率范围内具有非常强的吸收特性。液态水在1太赫兹时的功率吸收系数约为220cm-1，意味着3.6×109太赫兹的光子进入1mm厚的水膜中只有一个光子会辐射出来。由此可见，光子损失非常大并且太赫兹波产生效率很低。
技术实现要素：
本发明提供一种利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统和方法，用以产生高强度宽带太赫兹波。
为达到上述目的，本发明提供了一种利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、分光镜、斩波器、第一离轴抛物面反射镜和介质产生装置，其中：
第一离轴抛物面反射镜的焦距为1英寸；
介质产生装置利用金属纳米颗粒溶液产生液体柱或液体膜；
所述激光器用于发射水平偏振激光光束，水平偏振激光光束经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光，泵浦光经过所述斩波器调制后由所述第一离轴抛物面反射镜聚焦至所述液体柱或液体膜，所述液体柱或液体膜处即形成一能够辐射出高强度宽带太赫兹波的太赫兹波辐射源。
在本发明的一实施例中，当所述介质产生装置用于产生液体膜时，所述介质产生装置包括液体池、第一连接管、恒压泵、第二连接管、y型三通分流接头、第一软管、第二软管、第一喷头和第二喷头，所述第一喷头和所述第二喷头均为铝合金材质的喷头并且喷头出口处为直径介于0.5mm～1mm之间的圆孔，所述第一连接管连接在所述液体池与所述恒压泵之间，所述第二连接管连接在所述恒压泵与所述y型三通分流接头之间，所述第一软管连接在所述y型三通分流接头与所述第一喷头之间，所述第二软管连接在所述y型三通分流接头与所述第二喷头之间，所述恒压泵用于抽取所述液体池中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，所述第一喷头、所述第二喷头喷出的两个高压液体柱相向射出并在二者的边缘产生对撞后，于所述第一喷头、所述第二喷头下方形成均匀、连续、稳定的单片花瓣状液体膜，所述液体膜中的金属纳米颗粒溶液回流至所述液体池，或者，
于上述介质产生装置中，将上述y型三通分流接头、第一软管、第二软管、第一喷头和第二喷头替换为一铝合金材质的喷头，该铝合金材质的喷头具有一宽度介于0.1～0.5mm之间、长度为4mm的狭缝。
在本发明的一实施例中，当所述介质产生装置用于产生液体柱时，所述介质产生装置包括液体池、第一连接管、恒压泵、第二连接管和喷头，所述第一连接管连接在所述液体池与所述恒压泵之间，所述第二连接管连接在所述恒压泵与所述喷头之间，所述恒压泵用于抽取所述液体池中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，所述喷头出口处为直径介于0.1mm～0.5mm之间的圆孔。
在本发明的一实施例中，所述金属纳米颗粒溶液由金属纳米颗粒与水混合而成，浓度介于10％～90％之间。
在本发明的一实施例中，金属纳米颗粒中的金属为金、铂、银、铜、铁、钴、镍、钛或钨。
在本发明的一实施例中，所述激光器为飞秒激光器，所述斩波器的频率介于100～300hz之间。
在本发明的一实施例中，所述恒压泵为额定功率为750w的变频涡旋式自吸电泵。
在本发明的一实施例中，由所述第一离轴抛物面反射镜反射的信号光与所述液体膜所在平面的垂线之间的夹角介于-70°～70°之间。
在本发明的一实施例中，利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统还包括一太赫兹波探测系统，其包括第二离轴抛物面反射镜、硅片、第三离轴抛物面反射镜、znte晶体、第一凸透镜、太赫兹波探测器和第二凸透镜，其中：
所述第二离轴抛物面反射镜和所述第三离轴抛物面反射镜的焦距均为4英寸，
所述第二离轴抛物面反射镜将太赫兹波汇聚成一束平行光束，该平行光束经过所述硅片滤波后投射至所述第三离轴抛物面反射镜聚焦并形成一聚焦光束，该聚焦光束与经由所述第二凸透镜聚焦的探测光束共同聚焦于znte晶体后再通过所述第一凸透镜，之后经由所述太赫兹波探测器探测强度。
在本发明的一实施例中，所述太赫兹波探测器为自平衡光电探测器。
本发明还提供了一种应用于上述系统中的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的方法，其包括以下步骤：
s1：所述激光器发射水平偏振激光光束；
s2：水平偏振激光光束经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光；
s3：泵浦光经过所述斩波器调制后由所述第一离轴抛物面反射镜后聚焦至液体柱或液体膜；
s4：液体柱或液体膜处形成太赫兹波辐射源并辐射出高强度宽带太赫兹波。
本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统和方法创新的应用金属纳米颗粒溶液产生液体柱和液体膜，继而产生太赫兹波，产生效率高、系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，弥补了目前高强度宽带太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)；
图2为本发明一实施例的用于产生液体膜的介质产生装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例的用于产生液体膜的介质产生装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例的用于产生液体柱的介质产生装置的结构示意图；
图5a为激光分别激发金属纳米颗粒溶液薄膜和水膜产生的太赫兹时域波形；
图5b为激光分别激发金属纳米颗粒溶液薄膜和水膜产生的太赫兹场频谱图；
图6为第一离轴抛物面反射镜反射的信号光与液体膜所在平面的垂线之间的夹角示意图；
图7a、图7b为θ的示意图。
附图标记说明：1-激光器；2-分光镜；3-斩波器；4-第一离轴抛物面反射镜；5-第二离轴抛物面反射镜；6-硅片；7-第二凸透镜；8-第三离轴抛物面反射镜、9-znte晶体、10-第一凸透镜、11-太赫兹波探测器；12-液体池；13-第一连接管；14-恒压泵；15-第二连接管；16-第一软管；17-第二软管；18-y型三通分流接头；19-第一喷头；20-第二喷头；21-铝合金材质的喷头；22-喷头；a-介质产生装置；c-太赫兹波探测系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)，如图1所示，本发明提供了一种利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器1、分光镜2、斩波器3、第一离轴抛物面反射镜4、介质产生装置a和太赫兹波探测系统c，其中：
第一离轴抛物面反射镜4的焦距为1英寸；
介质产生装置a利用金属纳米颗粒溶液产生液体柱或液体膜，金属纳米颗粒溶液是由金属纳米颗粒与水混合而成，浓度介于10％～90％之间，金属纳米颗粒中的金属例如可以为金、铂、银、铜、铁、钴、镍、钛或钨。介质产生装置a产生的液体柱为竖直向下，并且液体柱连续、稳定、流速固定、外形无变化。介质产生装置a产生的液体膜同样连续、稳定、流速固定、外形无变化。
激光器1用于发射水平偏振激光光束，水平偏振激光光束经过分光镜2分出一束泵浦光和一束探测光，泵浦光经过斩波器3调制后由第一离轴抛物面反射镜4聚焦至液体柱或液体膜，液体柱或液体膜处即形成一能够辐射出高强度宽带太赫兹波的太赫兹波辐射源。
太赫兹波探测系统c包括第二离轴抛物面反射镜5、硅片6、第三离轴抛物面反射镜8、znte晶体9、第一凸透镜10、太赫兹波探测器11和第二凸透镜7，其中：
第二离轴抛物面反射镜5和第三离轴抛物面反射镜8的焦距均为4英寸，
第二离轴抛物面反射镜5将太赫兹波汇聚成一束平行光束，该平行光束经过硅片6滤波后投射至第三离轴抛物面反射镜8聚焦并形成一聚焦光束，该聚焦光束与经由第二凸透镜7聚焦的探测光束共同聚焦于znte晶体9后再通过第一凸透镜10，之后经由太赫兹波探测器11探测强度。太赫兹波探测器11例如可以为自平衡光电探测器。
图1中，当介质产生装置a用于产生液体膜时，介质产生装置a的结构可以如图2所示，图2所示介质产生装置a包括液体池12、第一连接管13、恒压泵14、第二连接管15、y型三通分流接头18、第一软管16、第二软管17、第一喷头19和第二喷头20，第一喷头19和第二喷头20均为铝合金材质的喷头并且喷头出口处为直径介于0.5mm～1mm之间的圆孔，第一连接管13连接在液体池12与恒压泵14之间，第二连接管15连接在恒压泵14与y型三通分流接头18之间，第一软管16连接在y型三通分流接头18与第一喷头19之间，第二软管17连接在y型三通分流接头18与第二喷头20之间，恒压泵14用于抽取液体池12中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，第一喷头19、第二喷头20喷出的两个高压液体柱相向射出并在二者的边缘产生对撞后，于第一喷头19、第二喷头20下方形成均匀、连续、稳定的单片花瓣状液体膜，液体膜中的金属纳米颗粒溶液回流至液体池12，此处的“单片花瓣状”指液体膜从正向看与花瓣形状类似，上方处较尖，两个侧边和底部均呈弧状，侧向看液体膜中间部分向一侧轻微凸起，或者，
图3为本发明另一实施例的用于产生液体膜的介质产生装置的结构示意图，如图3所示，于图2中的介质产生装置a中，将上述y型三通分流接头18、第一软管16、第二软管17、第一喷头19和第二喷头20替换为一铝合金材质的喷头21，该铝合金材质的喷头21具有一宽度介于0.1～0.5mm之间、长度为4mm的狭缝。
图1中，当介质产生装置a用于产生液体柱时，介质产生装置a的结构可以如图4所示，图4中的介质产生装置a包括液体池12、第一连接管13、恒压泵14、第二连接管15和喷头22，第一连接管13连接在液体池12与恒压泵14之间，第二连接管15连接在恒压泵14与喷头22之间，恒压泵14用于抽取液体池12中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，喷头22出口处为直径介于0.1mm～0.5mm之间的圆孔。
本发明中的第二连接管15可以为金属连接管与乳胶软管的组合，其中金属连接管靠近恒压泵14，乳胶软管靠近喷头。
本实施例中，激光器1可以为飞秒激光器，斩波器3的频率可以介于100～300hz之间，恒压泵可以为额定功率为750w的变频涡旋式自吸电泵。
图2、图3中，介质产生装置a用于产生液体膜，由图1中的第一离轴抛物面反射镜4反射的信号光与液体膜所在平面的垂线之间的夹角θ介于-70°～70°之间，如图6所示。其中，对于夹角θ进一步说明如下，当第一离轴抛物面反射镜4反射的信号光l1与液体膜所在平面的垂线l2平行时，θ为0°，其余情况下，在l1与l2确定的平面内(l2是在l1与液体膜所在平面相交的点p处绘制)，从图1的方向看，即视线与图1所在的平面垂直，l1绕点p逆时针转动以与l2重合，若转动的角度小于90°，则该角度即为θ，若转动的角度大于90°，则将该转动的角度减去180°后即为θ。
如图7a、7b所示为θ的示意图，图7a中，θ等于70°，图7b中，θ等于-70°。
本发明还提供了一种应用于图1所示系统中的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的方法，其包括以下步骤：
s1：激光器1发射水平偏振激光光束；
s2：水平偏振激光光束经过分光镜2分出一束泵浦光和一束探测光；
s3：泵浦光经过斩波器3调制后由第一离轴抛物面反射镜4后聚焦至液体柱或液体膜；
s4：液体柱或液体膜处形成太赫兹波辐射源并辐射出高强度宽带太赫兹波。
需要说明的是，本发明中所提及的‘光束’等信号光均在同一水平面内传播，也即图1中的任意两个元件之间的信号光均在同一水平面内，产生的太赫兹波也位于同一水平面内接收。
图5a为激光分别激发金属纳米颗粒溶液薄膜和水膜产生的太赫兹时域波形，图5b为激光分别激发金属纳米颗粒溶液薄膜和水膜产生的太赫兹场频谱图，图5a中的时间延迟指的是通过分光镜2后的泵浦光与探测光之间的时间差，可以看出，由金属纳米颗粒溶液薄膜产生的太赫兹波频谱明显宽于由纯水产生的太赫兹波。另外，本案发明人还发现，通过调节液体池12中金属颗粒的浓度、金属颗粒的尺寸等，可使产生的太赫兹波的强度随之变化。
本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液产生宽带强太赫兹波的系统和方法创新的应用金属纳米颗粒溶液产生液体柱和液体膜，继而产生太赫兹波，产生效率高、系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，弥补了目前高强度宽带太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。