基于单个高温热源的太赫兹激光器的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及基于单个高温热源的太赫兹激光器。

背景技术：

太赫兹技术在通信、传感、遥感、安保、毒品检测、医疗、雷达等方面均有广泛的应用，近年来颇受重视。所有的太赫兹技术和应用都离不开太赫兹源。目前有基于电子技术频率上转换、真空技术自由电子器件、半导体技术量子级联器件和光学下转换技术的太赫兹源，但都存在效率极低、成本过高的问题。且大部分太赫兹源的体积较大，因而如何制造效率高、成本低、体积小的太赫兹源及太赫兹激光器成为目前急需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于单个高温热源的太赫兹激光器，体积小、能量转换效率高、制作成本低、调谐范围大、输出功率高、操作简单。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

基于单个高温热源的太赫兹激光器，包括共振激发装置、温差控制系统、波长和功率控制系统、电源与工作参数显示系统；所述电源分别与所述共振激发装置和温差控制系统、波长和功率控制系统、工作参数显示系统连接；所述温差控制系统、波长和功率控制系统连接所述共振激发装置；

所述共振激发装置包括高温热源、高温腔、辐射腔、高反射镜与部分反射镜，所述高温热源位于高温腔内，且高温腔与所述辐射腔连通；所述高反射镜位于所述辐射腔的第一侧面处，所述部分反射镜位于所述辐射腔的第二侧面处，所述高反射镜与所述部分反射镜同轴设置并构成谐振腔；

当所述太赫兹激光器工作时，工作物质进入高温腔加热至第一预设温度后，进入辐射腔冷却产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射经所述谐振腔协同，形成太赫兹激光；所述波长和功率控制系统根据温差控制系统的温度信号调节所述高温热源的温度、高反射镜与部分反射镜之间的距离，控制所述太赫兹激光的输出频率，使所述太赫兹激光的输出频率为0.1thz~30thz。

进一步地，还包括工作物质循环系统与冷却剂循环系统；所述工作物质循环系统包括工作物质储存容器、工作物质输送管、工作物质回收管，所述工作物质存储容器经单向阀门输送工作物质至高温腔加热；所述工作物质回收管通过单向阀门将辐射腔内的工作物质回收至所述工作物质储存容器；所述冷却剂循环系统包括冷却腔、冷却剂输送管、冷却剂储存容器，所述冷却腔紧贴所述辐射腔，冷却辐射腔内的工作物质；所述冷却剂储存容器经单向阀门输送冷却剂至冷却腔，且所述冷却剂输送管通过单向阀门将冷却腔内的冷却剂回收至所述冷却剂储存容器。

进一步地，所述辐射腔还包括对太赫兹辐射透明的透明窗，所述透明窗分别位于所述辐射腔的两侧面，且位于所述高反射镜或部分反射镜的靠近所述辐射腔的一侧；位于所述辐射腔第一侧面的所述透明窗和高反射镜或用所述高反射镜代替，并设置于所述辐射腔第一侧面的透明窗位置；位于所述辐射腔第二侧面的所述透明窗与部分反射镜或用部分反射镜代替，并设置于所述辐射腔第二侧面的透明窗位置。

进一步地，所述高反射镜和部分反射镜为金属反射镜或介质反射镜，所述高反射镜对太赫兹波的反射率为90%~100%，透射率为0；所述部分反射镜对太赫兹波的反射率为90%~99%，透射率为1%~10%；所述高反射镜和部分反射镜的工作频率为0.1thz~30thz。

进一步地，所述温差控制系统包括检测所述工作物质的温度的第一温度传感器与第二温度传感器，所述第一温度传感器位于所述高温腔，所述第二温度传感器位于工作物质回收管壁上。

进一步地，所述波长和功率控制系统与所述部分反射镜或高反射镜连接，控制所述高反射镜和部分反射镜之间的距离，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的频率；所述波长和功率控制系统还包括动力装置，所述动力装置位于所述工作物质回收管与所述冷却剂输送管内，用于调节工作物质或冷却剂的流量。

进一步地，所述高温腔通过微孔阵列连接所述辐射腔。

进一步地，所述工作物质为有机物和/或无机物；所述工作物质为液体、溶液、或气体。

进一步地，所述冷却剂为液体、溶液或气体。

进一步地，所述冷却剂为水、油、熔盐、液态二氧化碳、液态氮、液态氧、液态氢、液态甲烷、液态氧化亚氮、水和盐的溶液、烃、醚、硅油、硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠混合物、氟利昂、空气、水蒸气、二氧化碳、氮气、或氧气。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供了基于高温热源的太赫兹激光器，高温热源通过高温腔加热工作物质，利用分子原子或晶格的振动和转动辐射，将高温的工作物质降温，在降温过程中，工作物质分子或原子的能级从高虚能级跳到较低的虚能级上，分子或原子的部分内能转化为太赫兹波辐射，利用谐振腔的协同作用形成太赫兹激光。太赫兹激光的频率为谐振腔的共振频率，因此通过调节高反射镜和部分反射镜之间的距离与高温热源的温度即可调节太赫兹激光的频率。与现有技术相比，本发明提供的太赫兹激光器体积小且能量转换效率高，其所形成的太赫兹激光相干性好且方向性好，具有广泛应用价值。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于单个高温热源的太赫兹激光器的示意图；

图2为本发明一实施例提供的基于单个高温热源的太赫兹激光器的结构示意图；

图中：1、高温热源；2、高温腔；3、辐射腔；4、微孔阵列；5、工作物质输送管；6、单向阀门；7、工作物质储存容器；8、工作物质；9、动力装置；10、工作物质回收管；11、透明窗；12、高反射镜；13、部分反射镜；14、第一温度传感器；15、冷却腔；16、冷却剂；17、热绝缘层；18、冷却剂输送管；19、第二温度传感器；20、冷却剂储存容器；21、散热片；22、温差控制系统；23、波长和功率控制系统；24、工作参数显示系统；25、电源；26、共振激发装置。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1、2所示，本发明提供了一种基于单个高温热源的太赫兹激光器，包括共振激发装置26、温差控制系统22、波长和功率控制系统23、电源25与工作参数显示系统24。其中，电源25分别与所述共振激发装置26和温差控制系统22、波长和功率控制系统23、工作参数显示系统24连接，所述温差控制系统22、波长和功率控制系统23连接所述共振激发装置26。

由于共振激发装置26需要电源25供给能量或供电，设置电源25为其供电。此外，电源25还为太赫兹激光器中其他需要供电的部件供电。在本实施例中，电源25可以为交流或者直流电源，电压在6-380v之间。当太赫兹激光器工作时，工作参数显示系统24用于显示各个工作参数，比如输出的太赫兹激光的频率和功率、电源25电压、或下文中工作物质8或高温热源1的温度等等。

高反射镜12和部分反射镜13的工作频率均在0.1-30thz之间，且均为金属反射镜或介质反射镜。但是，高反射镜12对太赫兹波的反射率为90%-100%，透射率为0，而部分反射镜13对太赫兹波的反射率为90%-99%，透射率为1%-10%。因此，由于高反射镜12完全对太赫兹波不透射，而部分反射镜13能透射出部分太赫兹波，因此共振激发装置26形成的太赫兹激光从部分反射镜13传输出来，即形成的太赫兹光方向性好。

进一步的，如图2所示，所述共振激发装置26包括高温热源1、高温腔2、辐射腔3与高反射镜12、部分反射镜13，所述高温热源1位于高温腔2内，且高温腔2与所述辐射腔3连通；所述高反射镜12位于所述辐射腔3的第一侧面处，所述部分反射镜13位于所述辐射腔3的第二侧面处，所述高反射镜12与所述部分反射镜13同轴设置并构成谐振腔。

高反射镜12和部分反射镜13的工作频率均在0.1-30thz之间，且均为金属反射镜或介质反射镜。但是，高反射镜12对太赫兹波的反射率为90%-100%，透射率为0，而部分反射镜13对太赫兹波的反射率为90%-99%，透射率为1%-10%。因此，由于高反射镜12完全对太赫兹波不透射，而部分反射镜13能透射出部分太赫兹波，共振激发装置26形成的太赫兹激光从部分反射镜13传输出来，即形成的太赫兹光方向性好。

辐射腔3还包括对太赫兹辐射透明的透明窗11，所述透明窗11分别位于所述辐射腔3两侧面且位于所述高反射镜12或部分反射镜13的靠近所述辐射腔3的一侧；其中位于所述辐射腔3第一侧面的所述透明窗11和高反射镜12用所述高反射镜12代替，并设置于所述辐射腔3第一侧面的透明窗11位置，位于所述辐射腔3第二侧面的所述透明窗11与部分反射镜13用部分反射镜13代替，并设置于所述辐射腔3第二侧面的透明窗11位置。

具体地，高温热源1位于所述高温腔2的内，紧贴所述高温腔2，工作物质循环系统将工作物质8输送至高温腔2内加热至第一预设温度t1后，经过高温腔2内部的微孔阵列4进入辐射腔3。工作物质循环系统包括了工作物质储存容器7、工作物质输送管5、工作物质回收管10，工作物质储存容器7经单向阀门6通过工作物质输送管5输送工作物质8至高温腔2，而工作物质回收管10则通过单向阀门6将辐射腔3内的已冷却的工作物质8回收保存于处于室温的工作物质储存容器7内，待工作物质输送管5输送工作物质8至高温腔2内再加热，循环利用，减少工作物质8的成本。而单向阀门6使工作物质8单向流动，确保工作物质8不倒流，影响太赫兹激光的输出频率。

更进一步地，工作物质8可选用无机物，如空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、或二氧化硫；也可为有机物或有机物与无机物的混合物，如酮类、醛类、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、烃类混合物、乙烯、丙烯、丁烯、烯类混合物、氟里昂、饱和碳氢化合物、不饱和碳氢化合物、或共沸混合物等；或可选用液态的工作物质8，如水、液化石油气、汽油、酒精、煤油、柴油、二硫化碳、氰化氢、正戊烷、正已烷、正庚烷、正辛烷、1-已烯、2-戊烯、1-已炔、环已烷、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、氯丁烷、甲醇、乙醇、正丙醇、乙醚、乙醛、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙腈、丙烯腈、呋喃、吡啶、汽油、石油醚、正壬烷、正癸烷、二乙苯、正丙苯、苯乙烯、正丁醇、福尔马林、乙酸、乙二胺、硝基甲烷、吡咯、煤油、松节油、芥籽油、松香水、正十二烷、正十四烷、二联苯、溴苯、环已醇、乙二醇、丙三醇(甘油)、苯酚、苯甲醛、正丁酸、氯乙酸、苯甲酸乙酯、硫酸二甲酯、苯胺、硝基苯、糠醇、机械油、航空润滑油、锭子油、猪油、牛油、鲸油、豆油、菜籽油、花生油、桐油、蓖麻油、棉籽油、葵花籽油、亚麻仁油，对此不作限定。

工作物质8进入辐射腔3后，通过冷却剂循环系统冷却至第二预设温度t2。冷却剂循环系统包括了冷却腔15、冷却剂输送管18与冷却剂储存容器20。所述冷却腔15紧贴所述辐射腔3，冷却剂储存容器20经单向阀门6输送冷却剂16至冷却腔15冷却辐射腔3内的工作物质8，在此过程中，工作物质8的分子或原子的能级从较高的虚能级或固有能级跳跃到较低的虚能级上，分子或原子的部分内能转化为太赫兹辐射。冷却剂16冷却完成后，所述冷却剂输送管18通过单向阀门6将冷却腔15内的冷却剂16回收至利用散热片21在空气中散热的冷却剂储存容器20中。在本实施例中，冷却剂储存容器20设置有散热片21，辅助冷却剂储存容器20和冷却剂16的散热。

冷却剂16可为液体，如水、油、熔盐、液态二氧化碳、液态氮、液态氧、液态氢、液态甲烷、液态氧化亚氮、植物油、动物油、矿物油、烃、醚、硅油、硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠混合物或氟利昂；冷却剂16也可为气体或水和盐的溶液，如空气、水蒸气、二氧化碳、氮气、或氧气等，对此不做限定。

当所述太赫兹激光器工作时，所述工作物质8进入高温腔2加热至第一预设温度后，进入辐射腔3冷却产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射经所述谐振腔协同，形成太赫兹激光。工作物质8从工作物质储存容器7经工作物质输送管5进入高温腔2被高温热源1加热至第一预设温度t1（对应虚拟能级或固有能级e1），然后经微孔阵列4进入辐射腔3，被冷却腔15中的冷却剂16冷却至第二预设温度t2（对应虚拟能级或固有能级e2），温度变化值为δt=t2-t1，则平均每个分子的内能下降量为

（1）

其中，k为玻尔兹曼常数；i为气体分子的自由度。常温下，对单原子气体，i=3；对刚性双原子气体，i=5；对刚性多原子气体：i=6，对弹性大分子i=3n，其中n为每个分子中的原子数。根据电动力学原理，带电粒子或电偶极子做加速或减速运动时会辐射电磁波，因此在工作物质8温度降低，分子振动、转动和平动的分子运动减速过程中，分子会辐射电磁波，该电磁波包括太赫兹波。根据能量守恒，该内能下降量部分转化为太赫兹辐射能量，部分以热能的形式释放。

根据量子力学辐射能量与频率的关系以及式（1）可以计算出太赫兹辐射的频率为：

（2）

其中h=6.62606896×10^-34j·s为普朗克常数，q为分子内能转化为太赫兹辐射量子的系数。

由式（2）可知，通过温差控制系统22调节高温热源1的温度，改变温差即可以调节太赫兹输出波的频率。由于流量决定单位时间内工作物质8在冷却腔15中辐射太赫兹量子的数目，也就决定了太赫兹辐射功率，所以通过鼓风机或泵等动力装置控制工作物质8的流速可以控制太赫兹的输出功率。根据能量守恒定律可知，在系统中，太赫兹辐射能量与高温热源1功率直接相关。

举个例子，用单原子气体作为工作物质8，对于单原子分子：i=3，取q=1，根据式（2），取t1=303.2k,t2=300k，可得ν=0.100016thz；取t1=306.4k,t2=300k，可得ν=0.200032thz；取t1=309.6k,t2=300k，可得ν=0.300048thz；取t1=312.8k,t2=300k，可得ν=0.400064thz；取t1=316k,t2=300k，可得ν=0.500079thz；取t1=319.2k,t2=300k，可得ν=0.600096thz；取t1=322.4k,t2=300k，可得ν=0.700112thz；取t1=325.6k,t2=300k，可得ν=0.800128thz；取t1=328.8k,t2=300k，可得ν=0.900144thz；取t1=332k,t2=300k，可得ν=1.00016thz；取t1=364k,t2=300k，可得ν=2.00032thz；取t1=396k,t2=300k，可得ν=3.00048thz；取t1=428k,t2=300k，可得ν=4.00064thz；取t1=460k,t2=300k，可得ν=5.00079thz；取t1=620k,t2=300k，可得ν=10.00016thz；取t1=940k,t2=300k，可得ν=20.0032thz；取t1=1260k,t2=300k，可得ν=30.0048thz。

再举个例子，使用双原子气体为工作物质8，如氮气，对于双原子分子：i=5，取q=1，根据式（2），取t1=301.93k,t2=300k，可得ν=0.100537thz；取t1=309.6k,t2=300k，可得ν=0.500079thz；取t1=319.2k,t2=300k，可得ν=1.000157thz；取t1=338.4k,t2=300k，可得ν=2.000315thz；取t1=396k,t2=300k，可得ν=5.00079thz；取t1=492k,t2=300k，可得ν=10.0016thz；取t1=684k,t2=300k，可得ν=20.0032thz；取t1=876k,t2=300k，可得ν=30.0048thz。

再举个例子，使用多原子气体为工作物质8，对于多原子气体i=6，取q=1，根据式（2），取t1=301.6k,t2=300k，可得ν=0.100016thz；取t1=308k,t2=300k，可得ν=0.500079thz；取t1=316k,t2=300k，可得ν=1.00016thz；取t1=332k,t2=300k，可得ν=2.00032thz；取t1=348k,t2=300k，可得ν=3.00048thz；取t1=364k,t2=300k，可得ν=4.00064thz；取t1=380k,t2=300k，可得ν=5.00079thz；取t1=460k,t2=300k，可得ν=10.0016thz；取t1=520k,t2=300k，可得ν=20.0032thz；取t1=680k,t2=300k，可得ν=30.0048thz。

以下考虑使用弹性分子（如大的有机分子）为工作物质8的情况。

举个例子，使用甲烷为工作物质8，化学式ch4，i=15,取q=1，根据式（2），取t1=300.64k,t2=300k，可得ν=0.100016thz；取t1=303.2k,t2=300k，可得ν=0.50008thz；取t1=306.4k,t2=300k，可得ν=1.00016thz；取t1=312.8k,t2=300k，可得ν=2.00032thz；取t1=319.2k,t2=300k，可得ν=3.00048thz；取t1=325.6k,t2=300k，可得ν=4.00064thz；取t1=332k,t2=300k，可得ν=5.00079thz；取t1=364k,t2=300k，可得ν=10.00158thz；取t1=428k,t2=300k，可得ν=20.00316thz；取t1=492k,t2=300k，可得ν=30.00474thz。

再举个例子，使用乙烷（ethane）为工作物质8，其分子式c2h6，i=24，取q=1，根据式（2），取t1=300.4k,t2=300k，可得ν=0.100016thz；取t1=302k,t2=300k，可得ν=0.500079thz；取t1=304k,t2=300k，可得ν=1.00016thz；取t1=308k,t2=300k，可得ν=2.00032thz；取t1=312k,t2=300k，可得ν=3.00048thz；取t1=316k,t2=300k，可得ν=4.00064thz；取t1=320k,t2=300k，可得ν=5.00079thz；取t1=340k,t2=300k，可得=10.0016thz；取t1=380k,t2=300k，可得ν=20.0032thz；取t1=420k,t2=300k，可得ν=30.0048thz。

因此，所述波长和功率控制系统23根据温差控制系统22的温度信号调节所述高温热源1的温度、高反射镜12与部分反射镜13之间的距离，控制所述太赫兹激光的输出频率，使所述太赫兹激光的输出频率为0.1thz~30thz。

工作物质8加热后冷却的温度差由温差控制系统22控制。所述温差控制系统22包括检测所述工作物质8的温度的第一温度传感器14与第二温度传感器19，所述第一温度传感器14位于所述高温腔2，所述第二温度传感器19位于工作物质回收管10。第一温度传感器14与第二温度传感器19所测到的温度均可以在工作参数显示系统24上显示，用户可以及时了解工作物质8的温度情况，以做出合理的处理措施。由于温度会影响太赫兹激光，因此设置一热绝缘层17包裹在共振激发装置26的外表面上，以减小外界温度的影响。

所述波长和功率控制系统23根据温差控制系统22的温度信号调节所述高温热源1的温度、高反射镜12与部分反射镜13之间的距离，控制所述太赫兹激光的输出频率，使所述太赫兹激光的输出频率为0.1thz~30thz。具体地，所述波长和功率控制系统23与所述部分反射镜13或高反射镜12连接，控制所述高反射镜12和部分反射镜13之间的距离，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的频率。更具体地，波长和功率控制系统23可以跟高反射镜12或部分反射镜13任一连接，也可以同时与所述高反射镜12、部分反射镜13连接。在本实施例中，与所述部分反射镜13连接，便于控制其余高反射镜12之间的距离。

所述波长和功率控制系统23还包括动力装置9，所述动力装置9位于所述工作物质回收管10与所述冷却剂输送管18内，用于调节工作物质8或冷却剂16的流量，改变输出的太赫兹激光功率。在本太赫兹激光器中，动力装置9为鼓风机或泵，便于手动或自动控制流量。

本发明提供了基于高温热源1的太赫兹激光器，高温热源1通过高温腔2加热工作物质8，利用分子原子或晶格的振动和转动辐射，将高温的工作物质8降温，在降温过程中，工作物质8分子或原子的能级从高虚能级跳到较低的虚能级上，分子或原子的部分内能转化为太赫兹波辐射，利用谐振腔的协同作用形成太赫兹激光。太赫兹激光的频率为谐振腔的共振频率，因此通过调节高反射镜12和部分反射镜13之间的距离与高温热源1的温度即可调节太赫兹激光的频率。与现有技术相比，本发明提供的太赫兹激光器体积小且能量转换效率高，其所形成的太赫兹激光相干性好且方向性好，具有广泛应用价值。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。