一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置及方法

1.本发明属于光学技术领域，涉及一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置及方法。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率在0.1-10thz(1thz＝10
12
hz)之间的电磁波，该频段界于红外与微波之间，处于电子学和光子学的交叉领域，具有不同于其它电磁频谱的特殊性。太赫兹波脉冲短、相干性高，对非金属材料透射性高，时间和空间的分辨率都很高，且太赫兹光子能量很小，不会对物质产生电离破坏作用，与x射线相比，太赫兹成像技术和波谱技术更具优势，在宽带通信、天文、医学成像、无损检测、安全检查等诸多领域具有广阔应用前景。目前，超宽带的强场太赫兹和红外辐射源是开展诸如太赫兹非线性光学、太赫兹强场物理、太赫兹波与材料的相互作用、太赫兹波生物效应和肿瘤治疗等国际最前沿研究方向的前提和基础。
3.飞秒(1fs＝10-15
s)激光脉冲为时间尺度在几个飞秒到几百飞秒之间的激光脉冲。由于它超短的时间特性，可以产生极高的峰值功率。具有高脉冲能量的飞秒激光脉冲与气体、团簇、液体、固体等原子相互作用，离化原子产生自由电子和离子形成等离子体，这些激光等离子体在一定条件下能够产生太赫兹辐射并延伸至红外波段。如利用双色飞秒激光与气体相互作用可产生超宽带的太赫兹波与红外辐射，利用飞秒激光与水膜的相互作用产生液体等离子体也可辐射出太赫兹波，利用超强飞秒激光与固体薄膜靶相互作用通过渡越辐射机制产生超强宽带太赫兹辐射。
4.除了通过激光等离子体相互作用外，利用高能量飞秒激光与液体分子的强非线性作用，也可产生高能量超宽带的强场太赫兹波和红外线辐射，波长从几个微米至3个毫米，频率从0.1至几十个thz以上。但由于焦点周围大量液体中的水分子对太赫兹和红外辐射的强烈吸收，导致总体太赫兹和红外辐射输出不强，难于适应上述应用的需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置及方法，利用飞秒激光脉冲经过聚焦镜聚焦在液体中后，利用飞秒激光与液体等离子体相互作用和强激光场对液体分子的非线性作用，产生超宽带强场脉冲太赫兹和红外辐射源。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一方面，本发明提供一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置，包括飞秒激光放大器系统和顶部设有开口的液体容器，所述液体容器上与开口相对的一端设有镀宽带增透膜的激光窗口，所述激光窗口外设有宽带介质膜反射镜和聚焦透镜，所述飞秒激光放大器系统向所述宽带介质膜反射镜发射飞秒激光束，并聚焦在液体容器中的液面附近，形成焦点火花，从焦点火花向开口外发射出超宽带太赫兹和红外辐射以及超连续白光等其它辐射，所述液体容器的开口外设有用于收集并准直所述超宽带太赫兹和远红外辐射以及残
余激光的第一离轴抛物镜，在第一离轴抛物镜的反射光路上设有太赫兹波和红外线专用的镀金反射镜，在所述镀金反射镜的反射光路上设有阻挡和过滤超连续白光和残余激光的高阻硅片和第二离轴抛物镜，在所述第二离轴抛物镜反射光路上设有探测器。
8.进一步，所述液体容器的开口处设有用于泵入和抽出液体的液体管道。
9.进一步，还设有氮气罩，所述氮气罩将所述液体容器、宽带介质膜反射镜、聚焦透镜、激光窗口、第一离轴抛物镜、镀金反射镜、高阻硅片、第二离轴抛物镜、探测器整体密封。
10.进一步，所述液体容器内的液体为水或其它非易燃液体。
11.另一方面，本发明提供一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生方法，包括以下步骤：
12.s1：通过输入管道向液体容器中泵入液体；
13.s2：飞秒激光放大器系统发射飞秒激光束，经宽带介质膜反射镜、聚焦透镜和镀宽带增透膜的激光窗口进入液体容器，聚焦在液体中液面附近形成焦点火花，产生超宽带太赫兹和红外辐射以及超连续白光辐射；
14.s3：超宽带太赫兹和远红外辐射以及其它辐射(包括超连续白光和残余激光)从液体焦点火花向容器开口外发射而出，抵达第一离轴抛物镜；
15.s4：第一离轴抛物镜收集并准直超宽带太赫兹和远红外辐射以及其它辐射，传播至太赫兹波和红外线专用的镀金反射镜；
16.s5：镀金反射镜反射超宽带太赫兹和远红外辐射以及其它辐射，利用高阻硅片将反应中产生的超连续白光和残余激光过滤；
17.s6：剩下太赫兹波和红外线辐射波束穿过高阻硅片抵达第二离轴抛物镜；
18.s7：第二离轴抛物镜聚集太赫兹波和红外线辐射波束，并会聚至探测器。
19.进一步，通过输入管道泵入、抽出液体以精准调节液面高度，减少焦点火花上方液体对在焦点火花产生的太赫兹波和红外线的吸收衰减。
20.进一步，还包括：利用氮气罩覆盖液体容器、宽带介质膜反射镜、聚焦透镜、激光窗口、第一离轴抛物镜、镀金反射镜、高阻硅片、第二离轴抛物镜、探测器，并充入氮气。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、飞秒激光聚焦在液体中而不是与固体靶、气体靶、团簇靶、液体薄膜相互作用，利用了飞秒激光与液体等离子体相互作用和飞秒激光强场作用在液体分子上的强非线性作用产生超宽带太赫兹和红外辐射，而不是只利用飞秒激光与固体靶、气体靶、团簇靶、液体薄膜相互作用产生激光等离子体来产生太赫兹辐射，因此可获得从太赫兹到红外波段的超宽带太赫兹和红外辐射源。
23.2、本发明中采用竖直方向聚焦激光束至液体中而不是在水平方向聚焦的立体空间布局光学元件方式，可通过管道微量泵入或抽出液体实现精确调节液面高度，尽可能减少焦点上方液体7对在焦点8产生的太赫兹波和红外线的吸收衰减，优化太赫兹和红外辐射输出能量，以在远场收集到尽可能多的太赫兹和红外辐射。该方法可避免水平聚焦方式中液体长度无法调节而难于优化辐射输出以及出射端窗口容易被残余激光打坏的情况。
24.3、本发明中产生超宽带强场太赫兹和红外辐射源的装置结构简单，调节方便。产生的超宽带强场太赫兹和红外辐射源可用于生物医学成像、非线性太赫兹光学、太赫兹强场物理、太赫兹与材料的非线性相互作用、太赫兹波生物效应研究以及可能的太赫兹波肿
瘤治疗等诸多领域。
25.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
26.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
27.图1为本发明所述超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置结构示意图；
28.附图标记：飞秒激光放大器系统1，宽带介质膜反射镜2，聚焦透镜3，激光窗口4，液体容器5，输入管道6，液体7，焦点火花8，第一离轴抛物镜9，镀金反射镜10，高阻硅片11，太赫兹波和红外线辐射波束12，第二离轴抛物镜13，探测器14，氮气罩15。
具体实施方式
29.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
31.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
32.请参阅图1，本发明提供一种超宽带强场太赫兹和红外辐射源产生装置，该装置由以下几部分组成：飞秒激光放大器系统1，宽带介质膜反射镜2，聚焦透镜3，安装了镀宽带增透膜的激光窗口4的液体容器5，里面可通过管道6泵入(或抽出)液体7(包括水和其它各种非易燃液体以及不同种类液体的混合液体)，焦点火花8，第一离轴抛物镜9，太赫兹波和红外线反射镜10，高阻硅片11，第二离轴抛物镜13，探测器14等。所述的焦点火花8是飞秒激光束聚焦在液体中产生的液体等离子体火花。
33.本发明太赫兹波和红外辐射产生和收集过程：将飞秒激光束经反射镜2反射后竖直向上经聚焦透镜3聚焦并穿过激光窗口4后聚焦在液体容器5中的纯净水(或其它非易燃
液体)中，在焦点火花8处可产生很强的超宽带太赫兹和红外辐射以及其它辐射，这些辐射通过上方的第一离轴抛物镜9收集并准直在水平方向，再经过太赫兹波和红外线专用的镀金反射镜10反射后向下传播，利用高阻硅片11将激光与液体反应中产生的超连续白光(可见光)和残余激光过滤后，只剩下太赫兹波和红外线辐射波束12穿过高阻硅片抵达第二离轴抛物镜13，经其聚焦后沿水平方向会聚至探测器14探测。
34.本发明原理特点：飞秒激光聚焦在液体中而不是与固体靶、气体靶、团簇靶、液体薄膜相互作用，利用了飞秒激光与液体等离子体相互作用和飞秒激光强场作用在液体分子上的强非线性作用产生超宽带太赫兹和红外辐射，而不是只利用飞秒激光与固体靶、气体靶、团簇靶、液体薄膜相互作用产生激光等离子体来产生太赫兹辐射，因此可获得从太赫兹到红外波段的超宽带太赫兹和红外辐射源。
35.考虑到液体的属性，本发明中采用竖直方向聚焦激光束至液体中而不是在水平方向聚焦的立体空间布局光学元件方式，可通过输入管道6微量泵入或抽出液体7实现精确调节液面高度，尽可能减少焦点火花8上方液体7对在焦点火花8产生的太赫兹波和红外线的吸收衰减，优化太赫兹和红外辐射输出能量，以在远场收集到尽可能多的太赫兹和红外辐射。该方法可避免水平聚焦方式中液体长度无法调节而难于优化辐射输出以及出射端窗口容易被残余激光打坏的情况。
36.本发明中液体容器5底部安装了针对飞秒激光波长的镀有宽带增透膜的入射激光窗口4，可减少输入激光的能量损耗。
37.本发明中液体容器5上方为自由空间，焦点火花8处产生的太赫兹和红外辐射连同残余激光和反应中产生的超连续白光可直接被镀金保护膜的第一离轴抛物镜9收集，可利用超连续白光微调焦点以后的所有光学元件，如第一离轴抛物镜9、太赫兹波和红外线专用的镀金反射镜10、第二离轴反射镜12、探测器14等，调节方便，简单易行。
38.本发明中太赫兹和红外辐射产生装置中产生、传输和探测部分整体用氮气罩15(图一虚线框)覆盖并在测量过程中充入氮气，尽可能将空气中因激光焦点火花8产生的水蒸气排出氮气罩外，以尽可能减少水蒸气对太赫兹和红外辐射的衰减作用。
39.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。