三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统的制作方法

本实用新型涉及太赫兹波和激光技术领域，具体而言，涉及一种三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统。

背景技术：

将超短激光脉冲聚焦在空气中直接产生太赫兹波的技术已经在近年来得到广泛的关注以及获得了一批优秀的实验研究成果及理论研究成果。

在以往的研究中，800nm波长及长波长(1200nm-1600nm)的单色场激发空气等离子体产生太赫兹波；利用BBO晶体产生800nm波长及长波长的二次谐波并与其混合聚焦产生太赫兹波，以及非寻常比例的不同波长混合双色场(如波长比为2：3和1：4)聚焦激发空气等离子体产生太赫兹波等都取得了不错的研究进展，并且不断向高太赫兹产生效率方向发展。

三色场甚至多色场产生太赫兹是获得更大功率、更宽频谱太赫兹源的必经之路。激光聚焦空气产生太赫兹中，对于产生的太赫兹能量至关重要的是泵浦波形相对于场极值的明显不对称性，这决定了电子漂移速度。而具有锯齿状时域波形的叠加场会促进隧道诱导光电流触发产生最高太赫兹波信号，通过使用多频激光脉冲，可以获得优化自由电子轨迹的电场波形，使得电子获得最大的漂移速度。这可以使太赫兹的转换效率提高到2％，与标准的双色脉冲相比，原则上可以将太赫兹转换效率提高多达2个数量级。但是，目前还没有具体可实施的利用这一原理提高太赫兹波转换效率、进而获得更高功率的太赫兹源的方法。

技术实现要素：

在激光激发空气等离子体产生太赫兹方式中，太赫兹产生效率的决定因素为泵浦光波形相对于场极值的明显不对称性，这决定了电子漂移速度，即如若电场为不对称场，电离而来的自由电子在电场内的总体运动效应为向一个定向的移动，则会产生太赫兹，而这个定向的净电流越大，则可以获得越大的太赫兹强度。文献【P.Gonzalez de Alaiza Martinez，I.Babushkin，L.Berge，S.Skupin，E.Cabrera-Granado，C.Kohler，U.Morgner，A.Husakou，and J.Herrmann，Phys.Rev.Lett.114，183901(2015)】公开了以下公式：

其中，UTHz：太赫兹能量，ωCO：截止太赫兹频率，ω：太赫兹频率，在t＝tn时刻与电离相关的净电流，δρn：光子电离率，vf(tn)：自由电子漂移速率，n：第n时刻。

由该公式可知，电子的漂移速度越大，在相同泵浦光功率的条件下，产生太赫兹的能量越高。在所有可获得激光场波形中，具有锯齿状时域波形的场有最大的不对称性，锯齿波形越接近理想，太赫兹转换效率越高。利用多色场激光拟合得到锯齿状时域波形泵浦光源，不同频率的激光场数量越多，所得到的拟合波形越接近理想锯齿波，所产生的太赫兹功率越大。

周期型锯齿波的傅里叶级数展开公式为

其中，A：锯齿波幅值，T1：锯齿波周期，ω1，2，3...：基频波，二次谐波，三次谐波...

故想要得到尽可能理想的锯齿波形，需要各光波频率为倍数关系，本实用新型选用长波长(如1200-1600nm)激光，以及其二倍频、三倍频、四倍频等叠加，通过控制其振幅和相位，拟合形成锯齿波形。基频波、二倍频波、三倍频波、四倍频波......的振幅比为控制各光波初相位为各光波偏振方向相同。

本实用新型提供一种三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统，用以获得更高功率的太赫兹源。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统，其包括激光器、分光镜、光参量放大器、第一BBO晶体、第一二向色镜、第一电动平移装置、第一反射镜、二分之一波片、第二反射镜、衰减片、第二BBO晶体、400nm滤波片、第三反射镜、第四反射镜、第二电动平移装置、第五反射镜、第二二向色镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及第一离轴抛物面反射镜，其中：

激光器用于发射波长为800nm的激光，800nm的激光经分光镜后得到第一光束和第二光束，

第一光束经过光参量放大器后输出波长为1200nm的信号光，波长为1200nm的信号光经过第一BBO晶体后一部分波长不变另一部分转换为波长为600nm的二次谐波信号光，之后第一二向色镜将波长为1200nm的信号光与波长为600nm的二次谐波信号光分束，波长为600nm的二次谐波信号光经由一第一电动平移装置控制其光程后再经由第一反射镜反射至二分之一波片，之后再依次经由第二反射镜反射、第二聚焦透镜聚焦以及第二二向色镜反射射出，波长为1200nm的信号光经过第一聚焦透镜聚焦后经由第二二向色镜透射射出，由第二二向色镜射出的波长为600nm的二次谐波信号光、波长为1200nm的信号光二者共线共焦入射至第一离轴抛物面反射镜背面的小孔，

第二光束经过衰减片进行衰减后再入射至第二BBO晶体，出射光一部分为波长为400nm的二次谐波信号光另一部分为波长为800nm的激光，之后再经由400nm滤波片将波长为800nm的激光滤除，从400nm滤波片出射的波长为400nm的二次谐波信号光再经由第三反射镜、第四反射镜以入射至第二电动平移装置，由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光经由第五反射镜反射后入射至第一离轴抛物面反射镜，

由二分之一波片射出的波长为600nm的二次谐波信号光、由第二二向色镜射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光三者的偏振方向一致，波长为1200nm的信号光与波长为400nm的二次谐波信号二者的相位一致且初相位为波长为600nm的二次谐波信号光的初相位为

经由第一离轴抛物面反射镜射出的波长为600nm的二次谐波信号光、波长为1200nm的信号光以及波长为400nm的二次谐波信号光共聚焦激发空气。

在本实用新型的一实施例中，所述激光器为飞秒激光放大器。

在本实用新型的一实施例中，三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统进一步包括一太赫兹强度检测装置，其包括第二离轴抛物面反射镜、THz滤波片、斩波器、硅片、定镜、动镜、第三离轴抛物面反射镜以及太赫兹波强度探测器，由第一离轴抛物面反射镜射出的太赫兹光束入射至第二离轴抛物面反射镜，经由第二离轴抛物面反射镜反射后依次经由THz滤波片、斩波器以及硅片之后，一部分太赫兹光束入射至动镜并经由动镜再次反射回硅片，硅片将此部分太赫兹光束投射至第三离轴抛物面反射镜并经由太赫兹波强度探测器接收，

另一部分太赫兹光束透射过硅片后再经由定镜反射，然后再经硅片透射到第三离轴抛物面反射镜上，由第三离轴抛物面反射镜反射并聚焦到太赫兹波强度探测器上，通过改变动镜的位置以改变两束太赫兹光束之间的光程差，太赫兹波强度探测器对接收到的多组具有不同光程差的两束太赫兹光束进行自相关处理，进而得到太赫兹辐射源的自相关图。

在本实用新型的一实施例中，所述太赫兹波强度探测器为高莱探测器。

在本实用新型的一实施例中，所述斩波器的频率为12-20Hz。

在本实用新型的一实施例中，由二分之一波片射出的波长为600nm的二次谐波信号光、由第二二向色镜射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光三者的功率比值为9：36：4。

在本实用新型的一实施例中，由二分之一波片射出的波长为600nm的二次谐波信号光、由第二二向色镜射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光三者的频率、振幅、相位组合符合锯齿波形的泰勒展开公式。

本实用新型利用确定波长、振幅、相位的多色激光场拟合得到尽量接近理想锯齿波形的电磁波形，相较于双色场激发空气等离子体产生太赫兹波的传统方式，具有更大的太赫兹能量转换效率，进而能够获得更高功率的太赫兹源。本实用新型产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于光谱测量，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实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统的结构示意图；

图2为双色场(1200nm与其二次谐波600nm组合)的激发电场、自由电子密度、净电流随时间变化图；

图3为三色场(1200nm与其二次谐波600nm及三次谐波400nm组合)的激发电场、自由电子密度、净电流随时间变化图；

图4为仿真得出的太赫兹时域信号图；

图5为仿真得出的太赫兹频域信号图。

附图标记说明：1-激光器；2-分光镜；3-光参量放大器；4-第一BBO晶体；5-第一二向色镜；6-第一电动平移装置；7-第一反射镜；8-二分之一波片；9-第二反射镜；10-衰减片；11-第二BBO晶体；12-400nm滤波片；13-第三反射镜；14-第四反射镜；15-第二电动平移装置；16-第五反射镜；17-第二二向色镜；18-第一聚焦透镜；19-第二聚焦透镜；20-第一离轴抛物面反射镜；21-第二离轴抛物面反射镜；22-THz滤波片；23-斩波器；24-硅片；25-定镜；26-动镜；27-第三离轴抛物面反射镜；28-太赫兹波强度探测器；A-太赫兹强度检测装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提供的三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统的结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统，其包括激光器1、分光镜2、光参量放大器3、第一BBO晶体4、第一二向色镜5、第一电动平移装置6、第一反射镜7、二分之一波片8、第二反射镜9、衰减片10、第二BBO晶体11、400nm滤波片12、第三反射镜13、第四反射镜14、第二电动平移装置15、第五反射镜16、第二二向色镜17、第一聚焦透镜18、第二聚焦透镜19以及第一离轴抛物面反射镜20，其中：

激光器1用于发射波长为800nm的激光，800nm的激光经分光镜2后得到第一光束和第二光束，

第一光束经过光参量放大器3后输出波长为1200nm的信号光，波长为1200nm的信号光经过第一BBO晶体4后一部分波长不变另一部分转换为波长为600nm的二次谐波信号光，之后第一二向色镜5将波长为1200nm的信号光与波长为600nm的二次谐波信号光分束，波长为600nm的二次谐波信号光经由一第一电动平移装置6控制其光程后再经由第一反射镜7反射至二分之一波片8，之后再依次经由第二反射镜9反射、第二聚焦透镜19聚焦以及第二二向色镜17反射射出，波长为1200nm的信号光经过第一聚焦透镜18聚焦后经由第二二向色镜17透射射出，由第二二向色镜17射出的波长为600nm的二次谐波信号光、波长为1200nm的信号光二者共线共焦入射至第一离轴抛物面反射镜20背面的小孔，

第二光束经过衰减片10进行衰减后再入射至第二BBO晶体11，出射光一部分为波长为400nm的二次谐波信号光另一部分为波长为800nm的激光，之后再经由400nm滤波片12将波长为800nm的激光滤除，从400nm滤波片12出射的波长为400nm的二次谐波信号光再经由第三反射镜13、第四反射镜14以入射至第二电动平移装置15，由第二电动平移装置15射出的波长为400nm的二次谐波信号光经由第五反射镜16反射后入射至第一离轴抛物面反射镜20，

由二分之一波片8射出的波长为600nm的二次谐波信号光、由第二二向色镜17射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置15射出的波长为400nm的二次谐波信号光三者的偏振方向一致且，波长为1200nm的信号光与波长为400nm的二次谐波信号二者的相位一致且初相位为波长为600nm的二次谐波信号光的初相位为

经由第一离轴抛物面反射镜20射出的波长为600nm的二次谐波信号光、波长为1200nm的信号光以及波长为400nm的二次谐波信号光共聚焦激发空气。

图1中的激光器1例如可以为飞秒激光放大器，例如美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光放大器Spitfire。

如图1所示，本实施例中的三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统进一步包括一太赫兹强度检测装置A，其包括第二离轴抛物面反射镜21、THz滤波片22、斩波器23、硅片24、定镜25、动镜26、第三离轴抛物面反射镜27以及太赫兹波强度探测器28，由第一离轴抛物面反射镜20射出的太赫兹光束入射至第二离轴抛物面反射镜21，经由第二离轴抛物面反射镜21反射后依次经由THz滤波片22、斩波器23以及硅片24之后，一部分太赫兹光束入射至动镜26并经由动镜26再次反射回硅片24，硅片24将此部分太赫兹光束投射至第三离轴抛物面反射镜27并经由太赫兹波强度探测器28接收，

另一部分太赫兹光束透射过硅片24后再经由定镜25反射，然后再经硅片24透射到第三离轴抛物面反射镜27上，由第三离轴抛物面反射镜27反射并聚焦到太赫兹波强度探测器28上，通过改变动镜26的位置以改变两束太赫兹光束之间的光程差，太赫兹波强度探测器28对接收到的多组具有不同光程差的两束太赫兹光束进行自相关处理，进而得到太赫兹辐射源的自相关图。

图1中，从光参量放大器3中出射的波长为1200nm的激光的偏振方向与激光器1发出的波长为800nm的激光的偏振方向互相垂直，而第一BBO晶体4固定在相位匹配方向时(即二次谐波转换效率最大的位置)，二次谐波偏振方向与基频波偏振方向垂直，故1200nm激光与400nm激光偏振方向相同，600nm波长激光偏振方向与它们的偏振方向相垂直。旋转偏振方向的具体过程为将二分之一波片8的光轴方向与600nm的激光偏振方向呈45°放置，如此一来，600nm激光的偏振态将旋转90°变为与1200nm和400nm激光同向偏振。

图1中，第一电动平移装置6、第二电动平移装置15中的主要部件均为两个相互垂直的反射镜，其中一个反射镜的镜面与入射光束呈45度，另一反射镜与上述反射镜垂直，以使出射光束与入射光束平行，第一电动平移装置6、第二电动平移装置15的移动方向为图1中所示的箭头方向，沿箭头方向移动以改变光程，动镜26的移动方向也已经绘示在图中。

图1中的太赫兹强度检测装置A应用了迈克尔逊干涉系统的原理，其中，太赫兹波强度探测器28例如可以为高莱探测器，斩波器23的频率例如可以为12-20Hz，其用于调制太赫兹波脉冲，提高探测精度。

本实施例中，由第二二向色镜射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光二者在共焦点处共相位，初相位控制为由二分之一波片射出的波长为600nm的二次谐波信号光在共焦点位置的初相位为1200nm、600nm、400nm光束功率比值为36：9：4，以共偏振激发空气等离子体产生太赫兹波。另外，由二分之一波片射出的波长为600nm的二次谐波信号光、由第二二向色镜射出的波长为1200nm的信号光、由第二电动平移装置射出的波长为400nm的二次谐波信号光三者的频率、振幅、相位组合符合锯齿波形的泰勒展开公式，使其多色场叠加波尽可能接近理想锯齿波，以最大程度提高太赫兹波的产生效率。

图1中，第一聚焦透镜18、第二聚焦透镜19可以采用对600nm激光与1200nm激光透过率比较高的石英材质透镜。第一反射镜7、第二反射镜9可以采用对600nm激光高反的金属镜，第四反射镜14、第五反射镜16可以采用对400nm波长高反的金属镜。当由分光镜2至第一离轴抛物面反射镜20后三束光的共焦点之间400nm激光与1200nm激光光程一致，600nm激光与它们(400nm激光与1200nm激光)的初相位差为π时，即可效率最高的向外辐射强太赫兹波。

利用如图1所示的系统进行实验，图2为双色场(1200nm与其二次谐波600nm组合)的激发电场、自由电子密度、净电流随时间变化图，图3为三色场(1200nm与其二次谐波600nm及三次谐波400nm组合)的激发电场、自由电子密度、净电流随时间变化图，图4为仿真得出的太赫兹时域信号图，图5为仿真得出的太赫兹频域信号图。其中，图2与图3的激光总功率相同。

图2、图3中，黑色实线为双色场和三色场的光场拟合曲线，黑色虚线为自由电子密度，灰色实线为等离子体处的净电流曲线。表征太赫兹产生强度的参量为净电流震荡曲线稳定后偏离零点位置的大小，值越大，表明此时净电流越大，由太赫兹正比公式可以得出产生的太赫兹更强，从图中可以看到，图3比图2的稳定净电流更大，由此可以说明三色场可以比双色场有更高的太赫兹产生效率。

本实用新型利用确定波长、振幅、相位的多色激光场拟合得到尽量接近理想锯齿波形的电磁波形，相较于双色场激发空气等离子体产生太赫兹波的传统方式，具有更大的太赫兹能量转换效率，进而能够获得更高功率的太赫兹源。本实用新型产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于光谱测量，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实用新型所必须的。

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实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的精神和范围。