CN103840366B - 通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法，将初始脉冲激光分成基频光和倍频光，基频光采用脉冲展宽的方法进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光；倍频光经过反光镜和光束延时系统后，再与时域展宽后的基频光进行空间合束，倍频光与基频光中不同波长的光相互作用产生不同频率的太赫兹波，被太赫兹波探测系统接收。通过光束延时系统可以自由调节基频光和倍频光产生的两个脉冲之间的相对时间重合点。在实际操作过程中，只需要控制倍频光路中的光束延时系统，就可实现两个脉冲之间相对时间重合点的改变，从而调整太赫兹波的中心频率；该方法适用于各种波长的超短脉冲激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波调整技术，特别涉及一种连续调节太赫兹波中心频率的方法。
背景技术
太赫兹波，是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波（1THz=1012 Hz），在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间，是电子学与光子学、宏观与微观之间的过渡区域。在上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波知之甚少，形成了微波与红外辐射之间所谓的“太赫兹间隙”。由于太赫兹波在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景，目前，包括美国、西欧和日本在内的世界各国都对太赫兹波技术的研究给予了高度重视，投入大量人力物力开展了与各自领域相关的太赫兹波技术的研究。研究出高功率、高效率、宽带可调谐、稳定的太赫兹辐射源已成为21世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。
近几年，广泛应用的太赫兹波产生方法有光电导天线和光整流方法，但这两种方法都存在一定的损伤阈值，在太赫兹应用方面受到了限制，直到利用气体等离子体产生太赫兹波方法的发现，才有效地拓宽了太赫兹波在各领域的应用。并且，利用气体等离子体产生太赫兹波的方法具有制备简单、无损伤阈值、且产生的太赫兹波频谱宽能量强的优点。
目前，利用气体等离子体产生太赫兹波的方法主要有两种：一，直接将超短脉冲激光在空气中聚焦形成等离子体细丝，由此辐射出锥形太赫兹波；二，利用超短脉冲激光基频和它的二次谐波同时在空气中聚焦形成等离子体细丝产生较强的太赫兹辐射波。其中，第二种方法的太赫兹波能量更强且转换效率更高。但是这两种方法产生的太赫兹波中心频率都由初始超短脉冲激光决定，无法调整。基于这些实验上的种种不便捷性，目前还没有可连续调节太赫兹波中心频率的实验装置出现。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹脉冲产生技术方法大多只能产生单一中心频率的太赫兹波的问题，提出了一种通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法，能够实现连续调节太赫兹波中心频率的功能。。
本发明的技术方案为：一种通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法， 将初始脉冲激光分成基频光和倍频光，基频光采用脉冲展宽的方法进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光；倍频光经过反光镜和光束延时系统后，再与时域展宽后的基频光进行空间合束，倍频光与基频光中不同波长的光相互作用产生不同频率的太赫兹波，被太赫兹波探测系统接收。
所述将初始脉冲激光分成基频光和倍频光，可采用以下两方法其中一种：
方法1：激光光源发出的初始脉冲激光通过倍频晶体后，得到基频光和倍频光的混合光束，经过双色分束片后基频光和倍频光分开；
方法2：激光光源发出的初始脉冲激光通过倍频晶体后，得到基频光和倍频光的混合光束，经过双色分束片后基频光和倍频光分开。
所述倍频光经过带通滤波片滤除基频光处理后，再经过入射反射镜组反射进入光束延时系统进行延时，再经过出射反射镜组反射，与时域展宽后的基频光经反射镜反射的展宽脉冲通过合束片合成一束。所述通过合束片合成的光束通过凸透镜后在焦点附近形成气体等离子体，使倍频光与基频光中不同波长的光波利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统。
本发明的有益效果在于：本发明通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法，装置简单，容易操作，可以自由调节两个脉冲之间的相对时间重合点。在实际操作过程中，只需要控制倍频光路中的光束延时系统9，就可实现两个脉冲之间相对时间重合点的改变，从而调整太赫兹波的中心频率；该方法适用于各种波长的超短脉冲激光。
附图说明
图1为本发明通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调实现实施例一装置结构示意图；
图2为本发明通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调实现实施例二装置结构示意图。
具体实施方式
通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法：是将初始脉冲激光分成基频光和倍频光，基频光采用脉冲展宽的方法进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，再将时域展宽后的基频光和倍频光进行空间合束，通过控制两个脉冲之间的相对时间延时，使倍频光与基频光中不同波长的光相互作用，基于四波混频原理产生不同频率的太赫兹波，从而实现连续调节太赫兹波中心频率的功能。
如图1所示通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调实现实施例一装置结构示意图，包括激光光源1、单色分束片2、激光脉冲展宽系统3、反射镜4、倍频晶体5、带通滤波片6、反射镜7、反射镜8、光束延时系统9、反射镜10、合束片11、凸透镜12、太赫兹波探测系统13。激光光源1发出的初始脉冲激光通过单色分束片2后，透射光束进入激光脉冲展宽系统3进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，反射光束依次经过倍频晶体5和带通滤波片6后得到初始脉冲激光的倍频光，倍频光经反射镜7和8反射后通过光束延时系统9，再由反射镜10反射，与时域展宽后的基频光经反射镜4反射的展宽脉冲通过合束片11合成一束，合成的光束通过凸透镜12后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统13。
如图2所示通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调实现实施例二装置结构示意图：包括激光光源1、激光脉冲展宽系统3、反射镜4、倍频晶体5、带通滤波片6、反射镜7、反射镜8、光束延时系统9、反射镜10、合束片11、凸透镜12、太赫兹波探测系统13和双色分束片14，激光光源1发出的初始脉冲激光通过倍频晶体5后，得到基频光和倍频光的混合光束，经过双色分束片14后基频光和倍频光分开，基频光进入激光脉冲展宽系统3进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，倍频光经过带通滤波片6滤除基频光后，经反射镜7和8反射后通过光束延时系统9，再由反射镜10反射，与时域展宽后的基频光经反射镜4反射的展宽脉冲通过合束片11合成一束，合成的光束通过凸透镜12后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统13。由于透射光束通过激光脉冲展宽系统3后得到的是啁啾脉冲，其不同波长的光在时域上依次拉开，所以通过光束延时系统9控制时域展宽后的基频光和倍频光之间的相对时间重合点，从而实现初始脉冲激光的倍频光与基频光中不同波长的光利用四波混频产生不同频率的太赫兹波，由此实现太赫兹波的中心频率连续可调。激光脉冲展宽系统3可选用光栅展宽器、棱镜对展宽器或中空光纤展宽系统。
以输出光中心波长为800 nm的激光器为例，其他波段与该波段的实施方法一致。
激光器输出光中心波长为800 nm，光谱范围780-820 nm，脉冲宽度为30 fs，重复频率1 KHz，以BBO倍频晶体获得400 nm的倍频光为例，选用实施例一装置，选用中空光纤展宽系统将30 fs的初始脉冲激光展宽为60 fs的啁啾脉冲，光谱范围变为700-900 nm，具体实现太赫兹波中心频率的调节过程如下：由激光光源1发出的初始脉冲激光通过单色分束片2（分束比1：1）后，透射光束进入激光脉冲展宽系统3进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，反射光束依次经过BBO倍频晶体5和带通滤波片6后得到初始脉冲激光的倍频光（中心波长400 nm，脉冲宽度40 fs），倍频光经反射镜7和反射镜8反射后通过光束延时系统9，再由反射镜10反射，与经反射镜4反射的基频光通过合束片11合成一束，合成的光束通过凸透镜12（焦距300 mm）后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统13。透射光束通过激光脉冲展宽系统3后得到的是脉冲宽度为60 fs的啁啾脉冲，其不同波长的光在时域上依次拉开，通过光束延时系统9控制时域展宽后的基频光和倍频光之间的相对时间重合点，使倍频光与基频光中不同波长的光波利用四波混频过程产生不同频率的太赫兹波。例如，当倍频光400 nm与基频光770 nm作用得到波长为10.3 μm的太赫兹波，调整光束延时系统9，当倍频光400 nm与基频光810 nm作用时得到波长为32.4μm的太赫兹波，由此实现太赫兹波的中心频率连续可调。
选用实施例二装置，选用光栅展宽器将30 fs的初始脉冲激光展宽为30 ps的啁啾脉冲，光谱范围不变，具体实现太赫兹波中心频率的调节过程如下：激光光源1发出的初始脉冲激光通过BBO倍频晶体5后，得到基频光和倍频光的混合光束，经过双色分束片14（800nm的基频光透过，400 nm的倍频光反射）后基频光和倍频光分开，基频光进入激光脉冲展宽系统3进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，倍频光经过带通滤波片6滤除基频光后，经反射镜7和8反射后通过光束延时系统9，再由反射镜10反射 ，与经反射镜4反射的展宽脉冲通过合束片11合成一束，合成的光束通过凸透镜12（焦距300 mm）后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统13。基频光通过中激光脉冲展宽系统3后得到的是脉冲宽度为30 ps的啁啾脉冲，其不同波长的光在时域上依次拉开，通过光束延时系统9控制时域展宽后的基频光和倍频光之间的相对时间重合点，使倍频光与基频光中不同波长的光波利用四波混频过程产生不同频率的太赫兹波。例如，当倍频光400 nm与基频光795 nm作用得到波长为63.6 μm的太赫兹波，调整光束延时系统9，当倍频光400 nm与基频光803 nm作用时得到波长为107 μm的太赫兹波，由此实现太赫兹波的中心频率连续可调。
Claims (2)
1.一种通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法，将初始脉冲激光分成基频光和倍频光，基频光采用脉冲展宽的方法进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光；倍频光经过反光镜和光束延时系统后，再与时域展宽后的基频光进行空间合束，倍频光与基频光中不同波长的光相互作用产生不同频率的太赫兹波，被太赫兹波探测系统接收，其特征在于，具体方法包括如下：
调节方法一：激光光源（1）发出的初始脉冲激光通过单色分束片（2）后，透射光束进入激光脉冲展宽系统（3）进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，反射光束依次经过倍频晶体（5）和带通滤波片（6）后得到初始脉冲激光的倍频光，倍频光经反射镜B（7）和反射镜C（8）反射后通过光束延时系统（9），再由反射镜D（10）反射 ，与经反射镜A（4）反射的展宽脉冲通过合束片（11）合成一束，合成的光束通过凸透镜（12）后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统（13）；
调节方法二：激光光源（1）发出的初始脉冲激光通过倍频晶体（5）后，得到基频光和倍频光的混合光束，经过双色分束片（14）后基频光和倍频光分开，基频光进入激光脉冲展宽系统（3）进行时域展宽，得到时域展宽后的基频光，倍频光经过带通滤波片（6）滤除基频光后，经反射镜B（7）和反射镜C（8）反射后通过光束延时系统（9），再由反射镜D（10）反射 ，与经反射镜A（4）反射的展宽脉冲通过合束片（11）合成一束，合成的光束通过凸透镜（12）后在焦点附近形成气体等离子体，利用四波混频原理产生太赫兹波进入太赫兹波探测系统（13），由于透射光束通过激光脉冲展宽系统（3）后得到的是啁啾脉冲，其不同波长的光在时域上依次拉开，通过光束延时系统（9）控制时域展宽后的基频光和倍频光之间的相对时间重合点，实现初始脉冲激光的倍频光与基频光中不同波长的光利用四波混频产生不同频率的太赫兹波，由此达到太赫兹波的中心频率连续可调。
2.根据权利要求1所述通过脉冲激光展宽实现太赫兹波中心频率连续可调的方法，其特征在于，所述激光脉冲展宽系统（3）选用光栅展宽器、棱镜对展宽器或中空光纤展宽系统中的一种。
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