多周期太赫兹脉冲的产生装置和产生方法

1.本发明属于电磁波谱领域，尤其涉及一种多周期太赫兹脉冲的产生装置和产生方法。


背景技术：

2.太赫兹波在电磁频谱上是处于远红外和微波之间的一个频带，其频率范围为0.1-10thz，对应的波长范围在3mm-30μm，特征时间在皮秒(10-12
s)量级。太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。
3.太赫兹波有连续波和脉冲波之分。连续波一般由例如返波管、量子级联激光器等的电子元件产生，脉冲波一般是由超短激光与物质相互作用，或者由加速器产生的超短电子束辐射产生。脉冲太赫兹波中，根据其时域电场的振荡周期数又有亚周期、单周期和多周期之分。傅里叶变换极限情况下，脉冲周期越短，周期数越少，其频谱就越宽，反之频谱就越窄。目前，激光与物质相互作用产生太赫兹脉冲的方法主要有：超短激光与固体靶相互作用、超短激光与气体相互作用、超短激光与液体相互作用以及超短激光与非线性晶体相互作用。在超短激光与非线性晶体相互作用的方法中，一种常用的方法叫做波前倾斜法。由于在晶体中激光和产生的太赫兹波的传播速度不同，这样在激光传播的过程中产生的太赫兹波就不能很好的相干叠加，为了让他们之间的速度相互匹配，需要将激光脉冲的波前倾斜一定的角度使激光脉冲波前的速度慢下来，比如对于0.8微米的激光和铌酸锂晶体，激光脉冲的波前就需要倾斜63度，以实现非线性晶体中激光脉冲的群速度与产生的太赫兹波的相速度之间的相互匹配，从而能高效地辐射太赫兹波。这种将激光脉冲的波前倾斜一定角度的方法即波前倾斜法。参见图1所示的现有技术的波前倾斜法产生太赫兹脉冲的光路图，飞秒激光器101产生的激光脉冲102入射至光栅103，经过光栅103发生波前倾斜的激光脉冲入射至铌酸锂晶体104并与铌酸锂晶体104相互作用，从而获得太赫兹脉冲105，铌酸锂晶体104内的黑色粗线表示激光束的波前。然而，一般情况下这种方法仅能产生单周期的太赫兹脉冲，例如图2所示的单周期太赫兹脉冲的时域波形图。
4.目前，基于超短激光与非线性晶体相互作用的多周期太赫兹脉冲的产生一般有以下几种方法：
5.(1)飞秒激光与周期极化铌酸锂晶体相互作用，即将飞秒激光入射到周期极化铌酸锂晶体中。但这种方法产生效率低，晶体加工难度大。
6.(2)啁啾脉冲拍频技术，即将两个啁啾激光脉冲在时间上产生一定的延迟，这两个脉冲就会形成在时间上强度调制的脉冲串。这个技术可以应用于周期极化铌酸锂晶体以及普通的铌酸锂晶体，但操作复杂，且产生太赫兹波的效率低。
7.(3)迈克尔逊干涉仪分光技术，即利用迈克尔逊干涉仪来回几次分束合束，将单个飞秒激光变换成一束脉冲之间具有一定时间延迟但是横向空间上不分离的激光脉冲串。这样的激光入射到非线性晶体中，比如铌酸锂晶体，也可以产生多周期太赫兹脉冲。这个方法
的缺点是操作复杂，并且由于是透射式分光，这就要求入射激光的能量不能太高，以免损伤光学镜片，这就限制了所产生的太赫兹脉冲的功率。


技术实现要素：

8.因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种多周期太赫兹脉冲产生装置，包括：
9.激光源，用于产生激光束；
10.阶梯镜，用于将所述激光束转换为激光脉冲串，所述激光脉冲串包含多个空间上彼此分离、时间上彼此延迟的脉冲；
11.波前倾斜元件，用于使所述激光脉冲串的波前倾斜一定角度；以及
12.非线性晶体，用于与来自所述波前倾斜元件的激光脉冲串相互作用产生多周期太赫兹脉冲。
13.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述激光源为钛宝石飞秒激光器。
14.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述阶梯镜为反射式阶梯镜。
15.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，还包括第一光束偏转部件，用于将所述激光束偏转至所述反射式阶梯镜。
16.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，还包括第二光束偏转部件，用于将来自所述反射式阶梯镜的激光脉冲串偏转至所述波前倾斜元件。
17.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述阶梯镜为透射式阶梯镜。
18.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述波前倾斜元件为光栅或者棱镜。
19.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述非线性晶体为铌酸锂晶体。
20.根据本发明的多周期太赫兹脉冲产生装置，优选地，所述波前倾斜元件使所述激光脉冲串的波前倾斜63
°
。
21.本发明还提供了一种多周期太赫兹脉冲产生方法，包括如下步骤：
22.激光束转换步骤：将飞秒激光束转换成激光脉冲串，所述激光脉冲串包含多个空间上彼此分离、时间上彼此延迟的脉冲；
23.波前倾斜步骤：将所述激光脉冲串的波前倾斜一定的角度；以及
24.太赫兹脉冲产生步骤：使波前倾斜的激光脉冲串与非线性晶体相互作用以产生多周期太赫兹脉冲。
25.与现有技术相比，本发明首次利用空间上分离的脉冲串获得多周期太赫兹脉冲，操作简单、产生效率高。
附图说明
26.以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
27.图1为现有技术的波前倾斜法产生太赫兹脉冲的光路图；
28.图2为单周期太赫兹脉冲的时域波形图；
29.图3为根据本发明第一实施例的产生多周期太赫兹脉冲的光路图；
30.图4为图3中的反射式阶梯镜206的放大视图；
31.图5示出图3的激光脉冲串202”与铌酸锂晶体204相互作用的细节图；
32.图6为多周期太赫兹脉冲的时域波形图；以及
33.图7为根据本发明第二实施例的产生多周期太赫兹脉冲的光路图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.本发明人通过不断地研究和实验发现，由于波前倾斜装置的非共线特性，空间上分离的脉冲串可以采用波前倾斜法获得多周期太赫兹脉冲。
36.第一实施例
37.参见图3所示的根据本发明第一实施例的产生多周期太赫兹脉冲的光路图。该第一实施例的多周期太赫兹脉冲产生装置沿着光的传播方向依次包括：
38.钛宝石飞秒激光器201，用于发射激光束202；
39.第一光束偏转部件207，用于偏转激光束202；
40.反射式阶梯镜206，用于将激光束202转换为横向空间上分离、时间上彼此延迟的激光脉冲串202’,参见图4所示的反射式阶梯镜206的放大视图，其清晰地示出了入射激光束202以及包含横向空间上彼此分离、时间上彼此延迟的多个激光脉冲的脉冲束202’，黑色粗线表示波前；
41.第二光束偏转部件208，其用于偏转激光脉冲串202’；
42.光栅203，用于倾斜来自第二光束偏转部件208的激光脉冲串202’的波前从而获得波前倾斜的激光脉冲串202”，调整入射到光栅上的角度或者更换光栅的刻线密度就可以改变波前倾斜角；以及
43.铌酸锂晶体204，用于与波前倾斜的激光脉冲串202”相互作用产生太赫兹脉冲205，该太赫兹脉冲205为多周期的太赫兹脉冲。参见图5所示的激光脉冲串202”与铌酸锂晶体204相互作用的细节图。激光脉冲串202”中每一个脉冲都与铌酸锂晶体204相互作用产生一个单周期的太赫兹脉冲，多个脉冲产生的多个单周期太赫兹脉冲相互叠加，就形成窄带多周期的太赫兹脉冲205。具体地，四个横向上空间分离的波前倾斜脉冲沿着向右的方向传播进入到铌酸锂晶体中，在满足相位匹配的条件下，这四个激光脉冲会在传播的过程中持续产生太赫兹波。然而，太赫兹脉冲的辐射是在右上的方向，与激光脉冲的传播方向夹角约为63度。太赫兹脉冲205包含由四个激光脉冲产生的四个太赫兹脉冲，顺着太赫兹脉冲辐射方向可以看出这四个太赫兹脉冲在空间上大部分是重叠的，重叠区域的四个太赫兹脉冲可以认为是同源的。换句话说，在铌酸锂晶体的同一个区域产生了一个周期数为4的太赫兹脉冲，即多周期太赫兹脉冲。这就是在非共线的情况下，横向空间上分离的激光脉冲也可以产生多周期太赫兹脉冲的基本原理。图6示出多周期太赫兹脉冲205的时域波形图。
44.该实施例的多周期太赫兹脉冲产生装置在单周期太赫兹脉冲产生装置的光路中插入一反射式阶梯镜和相应的光束偏转部件，结构简单、操作方便。另外，采用反射式部件
能够承受高入射功率，从而提高输出太赫兹脉冲的功率。
45.本领域技术人员能够理解，该实施例中的第一光束偏转部件和第二光束偏转部件可以采用本领域公知的例如反射镜的各种光束偏转部件。
46.另外，本领域技术人员能够理解，可以将图3中的第二光束偏转部件208省略，只要将其后面的光栅203和铌酸锂晶体204转移至激光脉冲串2’的原始方向上即可。
47.第二实施例
48.参见图7所示的根据本发明第二实施例的产生多周期太赫兹脉冲的光路图，其与第一实施例的区别在于将反射式阶梯镜替换为透射式阶梯镜。具体地，该第二实施例的多周期太赫兹脉冲产生装置沿着光的传播方向依次包括：
49.钛宝石飞秒激光器301，用于发射激光束302；
50.透射式阶梯镜306，用于将激光束302转换为空间上分离、时间上彼此延迟的激光脉冲串302’；
51.光栅303，用于倾斜激光脉冲串302’的波前从而获得波前倾斜的激光脉冲串302”；以及
52.铌酸锂晶体304，用于与波前倾斜的激光脉冲串302”相互作用产生太赫兹脉冲305，该太赫兹脉冲305为窄带多周期的太赫兹脉冲。
53.由于采用透射式阶梯镜，该第二实施例的多周期太赫兹脉冲产生装置无需光束偏转部件，因此结构更加简单，操作更加方便。
54.根据本发明的其他实施例，光栅可以用本领域公知的波前倾斜元件来替换，例如棱镜等，通过改变光束至棱镜的入射角就可以改变光束的波前倾斜角度。
55.根据本发明的其他实施例，铌酸锂晶体采用本领域公知的其它非线性晶体来替换，例如碲化锌晶体。波前倾斜元件对激光脉冲波前倾斜的角度根据非线性晶体的不同而调节，例如对于碲化锌晶体(znte)和1.7微米波长的激光来说，需要的波前倾斜角度29度。
56.虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。