激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法，其中，该系统包括激光器、光参量放大器、衰减片、斩波器、第一、第二和第三离轴抛物面反射镜、BBO晶体、滤波片和硅片，激光器用于发射波长为800nm的激光，800nm的激光经过光参量放大器后输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光，之后经过衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束，然后经过斩波器后由第一离轴抛物面反射镜反射至BBO晶体；经由BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源，太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由第二、第三离轴抛物面反射镜反射收集后再依次经过滤波片和硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。
【专利说明】
激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及太赫兹波技术领域，具体而言，涉及一种利用飞秒激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法。
【背景技术】
[0002]将超短激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹的技术，近年来引起了人们的广泛关注，该方法可在远处(可在几公里远)产生太赫兹波，所以应用前景十分美好。
[0003]当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离而形成等离子体，由此所形成的有质动力会使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差，而且这种电荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的发生，从而辐射出太赫兹。
[0004]产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的ω与2ω光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混频过程。太赫兹场的极性和强度完全由ω与2 ω光束间的相对位相控制。当光学脉冲总能量超过空气等离子体形成的阈值时，太赫兹场的振幅与基频波的脉冲能量成正比(线性关系)，与二次谐波的脉冲能量的平方根成正比关系。在四波混频过程中，当所有光波(ω光束、2 ω光束及太赫兹波)的偏振态均相同时产生的混频效果最佳。
[0005]空气等离子体产生的太赫兹波具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等特点。一般实验中使用800nm的激光经过TDS系统产生太赫兹，但产生的太赫兹波强度并不是很大，无法满足使用需求。
[0006]因此，如何利用空气等离子体产生强度更大的太赫兹波，是本领域技术人员的一个重要研究方向。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法，用以利用飞秒激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波。
[0008]为了达到上述目的，本发明提供了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、光参量放大器、衰减片、斩波器、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜、BBO晶体、滤波片和硅片，其中:
[0009]所述激光器用于发射波长为SOOnm的激光，SOOnm的激光经过所述光参量放大器后输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光，波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过所述衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束，该总功率为设定值N的光束经过所述斩波器后由所述第一离轴抛物面反射镜反射至所述BBO晶体；
[0010]经由所述BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源，所述太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由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反射后再依次经过所述滤波片和所述硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。
[0011]在本发明的一实施例中，可以通过控制所述衰减片调整N。
[0012]在本发明的一实施例中，当所述N分别为200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW 和 750mW 时，对应的 M 分别为 5.53861E-4 伏、
0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、0.01439伏、0.01975伏、0.02524伏、0.03161伏、0.03843伏、0.04623伏、0.05537伏和 0.0646伏。
[0013]在本发明的一实施例中，所述激光器为飞秒激光放大器。
[0014]在本发明的一实施例中，激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统还包括一设置在所述硅片后端的太赫兹波强度探测器。
[0015]在本发明的一实施例中，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。
[0016]在本发明的一实施例中，所述斩波器的频率为15-20HZ，所述硅片的厚度为450μπι。
[0017]本发明还提供了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的方法，其包括以下步骤:
[0018]S1:利用一激光器发射出一波长为800nm的激光；
[0019]S2:使波长为800nm的激光经过一光参量放大器并输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光；
[0020]S3:使波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过一衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束；
[0021]S4:使该总功率为设定值N的光束经过一斩波器后由一第一离轴抛物面反射镜反射至一 BBO晶体；
[0022]S5:经由所述BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源；
[0023]S6:所述太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由一第二离轴抛物面反射镜和一第三离轴抛物面反射镜反射后再依次经过一滤波片和一硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。
[0024]本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，能够根据实际需要产生不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度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】
[0025]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。
[0026]图1为本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统的示意图；
[0027]图2为混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图；
[0028]图3为混合光束中仅波长为1400nm的信号光通过时，混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图；
[0029]图4为混合光束中仅波长为1863.95nm的闲频光通过时，混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图；
[0030]图5为两种光同时通过与分别通过再叠加得到的太赫兹波能量的对比图。
[0031 ]附图标记说明:1-激光器;2-光参量放大器;3-衰减片;4-斩波器;5-第一离轴抛物面反射镜;6-第二离轴抛物面反射镜;7-第三离轴抛物面反射镜;8-BB0晶体;9-滤波片；10-硅片；11-太赫兹波强度探测器。
【具体实施方式】
[0032]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。
[0033]图1为本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统的示意图，如图所示，本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统包括依次设置在光路上的激光器1、光参量放大器2、衰减片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、第三离轴抛物面反射镜7、BB0晶体8、滤波片9和硅片10，其中:
[0034]激光器I用于发射波长为SOOnm的激光，激光器可以采用飞秒激光放大器，例如美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光放大器Spitf ire，800nm的激光经过光参量放大器2后输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光，波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过衰减片3后衰减为一总功率为设定值N的光束，该总功率为设定值N的光束经过斩波器4后由第一离轴抛物面5反射镜反射至BBO晶体8;其中，斩波器4的频率可以选择为15-20Hz，硅片1的厚度可以选择为450μπι，也可根据实际需要选择其他参数的斩波器和硅片，本发明不以此为限。
[0035]经由BBO晶体8射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源，太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由第二离轴抛物面反射镜6和第三离轴抛物面反射镜7反射后再依次经过滤波片9和硅片10滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。
[0036]本发明还提供了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的方法，该方法可以通过上述激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统实现，其包括以下步骤:
[0037]S1:利用一激光器发射出一波长为800nm的激光；
[0038]S2:使波长为800nm的激光经过一光参量放大器并输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光；
[0039]S3:使波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过一衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束；
[0040]S4:使该总功率为设定值N的光束经过一斩波器后由一第一离轴抛物面反射镜反射至一 BBO晶体；
[0041]S5:经由BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹福射源；
[0042]S6:太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由一第二离轴抛物面反射镜和一第三离轴抛物面反射镜反射后再依次经过一滤波片和一硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。
[0043]另外，本发明还可以在硅片后端设置一太赫兹波强度探测器11，如图1所示，太赫兹波强度探测器可以选择热释电探测器或高莱探测器，以实时探测输出的太赫兹波的能量值，该能量值为太赫兹波的平均能量值。
[0044]在本发明中，可以通过控制衰减片得到不同功率的混合光束，继而得到强度不同的太赫兹波，图2为混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图，如图2所示，当混合光束的功率 N 分别为 200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW时，对应的太赫兹能量M分别为5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、
0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。
[0045]由此可见，本发明通过飞秒激光激发空气等离子体，可以产生强度更大的太赫兹波，这是由于波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光相互作用而实现的，而不是分别由波长为1400nm的信号光和与其对应的波长为1863.95nm的闲频光分别作用之后效果叠加而实现的。为了证明这一点，本案发明人还做了如下实验:
[0046]在激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统中的衰减片后面增加一分光片，该分光片可控制仅波长为1400nm的信号光通过或仅波长为1863.95nm的闲频光通过，另外控制混合光束的功率 N 分别为 200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW，利用太赫兹波强度探测器11检测得到的太赫兹波的强度。
[0047]图3为混合光束中仅波长为1400nm的信号光通过时，混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图，如图所示，当混合光束的功率N分别为200mW、250mW、300mW、350mW、400mff、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW时，太赫兹能量M分别为2.09605E-4伏、2.59007E-4伏、3.27902E-4伏、3.97058E-4伏、4.7511E-4伏、5.59596E-4伏、6.48243E-4伏、7.31622E-4伏、8.1887E-4伏、9.24474E-4伏、0.00102伏和 0.00118 伏。
[0048]图4为混合光束中仅波长为1863.95nm的闲频光通过时，混合光束的功率与太赫兹能量之间的关系图，如图所示，当混合光束的功率N分别为200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW 和 750mW 时，太赫兹能量 M 分别为 9.51408E-5 伏、1.25659E-4 伏、1.6129E-4 伏、2.46149E-4 伏、3.20981E-4 伏、4.53261E-4 伏、6.78384E-
4伏、0.00107伏、0.00146伏、0.00207伏、0.00274伏和0.00356伏。
[0049]为了比较的更清楚，我们将波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光同时通过时得到的太赫兹能量与1400nm的信号光、波长为1863.95nm的闲频光分别通过后再叠加得到的总的太赫兹能量绘制在同一坐标系下，如图5所示为两种光同时通过与分别通过再叠加得到的太赫兹波能量的对比图，可见，波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光同时通过时得到的太赫兹波的能量随着太赫兹波总功率增加而呈明显上升趋势，而若使这两种光分别通过，虽然分别得到的太赫兹波的能量也随着总功率的增加而增加(如图3、图4所示)，但是，这种情况下两种光分别激发得到的太赫兹波的能量之和也远远不及两种光混合通过时得到的太赫兹波的能量，尤其是当混合光的总功率大于400mW时，这一现象尤其明显。
[0050]由上述实验更进一步证明，波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光通过BBO晶体后，激发空气中的等离子体产生的太赫兹辐射源的能量更大，这是由于这两种光的混合作用而产生的。本案发明人经过多次实验、分析及比较才得出“1400nm”和“1863.95nm”这两个关键数值，在这两个数值下，利用本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统或方法，能够激发产生强度更大的太赫兹波，以满足当前科学实验和实际应用所需。目前尚未有其他公开文献提出本发明的观点，因此，本发明填补了高强度太赫兹波产生这一领域的技术空白，具有很大的应用前景。
[0051]本发明提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，能够根据实际需要产生不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度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。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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。
【主权项】
1.一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，包括依次设置在光路上的激光器、光参量放大器、衰减片、斩波器、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜、BBO晶体、滤波片和硅片，其中: 所述激光器用于发射波长为SOOnm的激光，SOOnm的激光经过所述光参量放大器后输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光，波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过所述衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束，该总功率为设定值N的光束经过所述斩波器后由所述第一离轴抛物面反射镜反射至所述BBO晶体； 经由所述BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源，所述太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由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反射收集后再依次经过所述滤波片和所述硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。2.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，通过控制所述衰减片调整N。3.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，当所述?^分别为2001111、2501111、3001111、3501111、4001111、4501111、5001111、5501111、6001111650mW、700mW 和 750mW 时，对应的 M 分别为 5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。4.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述激光器为飞秒激光放大器。5.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，还包括一设置在所述硅片后端的太赫兹波强度探测器。6.根据权利要求5所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。7.根据权利要求1-6中任一项所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述斩波器的频率为15-20HZ，所述硅片的厚度为450μπι。8.—种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:利用一激光器发射出一波长为800nm的激光； S2:使波长为800nm的激光经过一光参量放大器并输出波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光； S3:使波长为1400nm的信号光及与其对应的波长为1863.95nm的闲频光经过一衰减片后衰减为一总功率为设定值N的光束； S4:使该总功率为设定值N的光束经过一斩波器后由第一离轴抛物面反射镜反射至一BBO晶体; S5:经由所述BBO晶体射出的光束聚焦电离空气，激发空气中的等离子体并产生一太赫兹福射源； S6:所述太赫兹辐射源发射的太赫兹波经由一第二离轴抛物面反射镜和一第三离轴抛物面反射镜反射后再依次经过一滤波片和一硅片滤波，即得到太赫兹能量为M的高强度太赫兹波。9.根据权利要求8所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的方法，其特征在于，通过控制所述衰减片调整N。10.根据权利要求8所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的方法，其特征在于，当所述?^分别为2001111、2501111、3001111、3501111、4001111、4501111、5001111、5501111、6001111650mW、700mW 和 750mW 时，对应的 M 分别为 5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、.0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。
【文档编号】H01S1/02GK106099624SQ201610659656
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月11日 公开号201610659656.3, CN 106099624 A, CN 106099624A, CN 201610659656, CN-A-106099624, CN106099624 A, CN106099624A, CN201610659656, CN201610659656.3
【发明人】张亮亮, 黄素霞, 张锐, 张存林
【申请人】首都师范大学