CN103872554B - 基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹脉冲强度的装置，从飞秒激光器出射的泵浦激光依次通过聚焦透镜和倍频晶体后形成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片后进入真空腔，在真空腔抽真空后，由气体喷嘴组持续稳定地通入气体在双色场光源聚焦等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过调整气体种类、气体喷嘴组的结构和参数可以控制气体靶的密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化。此外气体喷嘴组通入的气体可以为任意气体或多种气体从不同管道进入，根据实验中所使用激光光源的参数以及产生的等离子体拉丝状态随时调整，装置结构简单，应用范围广泛。

Description

基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置

技术领域

本发明涉及一种太赫兹技术，特别涉及一种通过控制气体喷嘴组结构优化产生太赫兹脉冲强度的装置。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1到10THz范围(波长在0.03到3mm范围)的电磁波，它在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段与红外线相重合，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹波具有许多独特的优点，包括光子能量低，不会对生物组织产生有害的光致电离、很多有机分子在该波段都有很强的吸收和色散，可以用于鉴别有机分子等。太赫兹技术便是一个应用了太赫兹的独特优点，涉及到太赫兹波产生、传播、控制以及探测的先进技术，属于非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。

目前作为太赫兹辐射的产生方法，利用电离化气体的非线性效应产生强太赫兹脉冲已经得到了广泛的应用。其中一种较常使用的方法是使泵浦激光通过倍频晶体，使得频率为的超快激光脉冲基频光及其倍频光2同时在空气中聚焦，产生等离子体激发四波混频现象，产生强的太赫兹辐射。通过双色场光源激发空气等离子体产生太赫兹的方法已经被证实可以高效地产生超强超宽带的太赫兹波，且实验设备简单，结构紧凑，可在常温下工作，应用前景广泛。但是，在实验中，通过双色场光源激发空气等离子体产生的太赫兹的强度始终不能够达到理论计算得到的最大值，这主要是因为初始的双色场光脉冲在空气中聚焦，使空气电离产生等离子体拉丝后，后续双色场脉冲中的基频光和倍频光在等离子体拉丝长度范围内前进时各自的折射率不同，导致在等离子体传播的方向上由于折射率差而渐渐走离，出现相位失匹，最终使得产生的太赫兹波效率下降，不能实现产生的太赫兹脉冲的强度最大化。

目前基于双色场光源激发空气等离子体产生太赫兹波的优化方法主要有外加电场法、改变双色场内基频光和倍频光的强度比和相对相位的方法，但总的来说，这几种方法都不能够解决由于双色场光源在等离子体传播方向的相位失匹导致的产生太赫兹波效率下降的问题。基于以上问题，目前还没有能够解决由于双色场光源在等离子体传播方向的相位失匹导致的太赫兹波效率下降问题的优化装置出现。

发明内容

本发明是针对现在基于双色场光源激发空气等离子体产生太赫兹波的方法，不能够解决由于双色场光源在等离子体内传播的相位失匹导致的产生太赫兹波效率下降的问题，提出了一种基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置，是一种通过控制气体和气体喷嘴组结构优化产生太赫兹脉冲强度的装置，根据实验中所使用激光光源的参数以及产生的等离子体拉丝状态随时调整，装置结构简单。

本发明的技术方案为：一种基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置，包括飞秒激光器、聚焦透镜、倍频晶体、真空腔入射窗片、气体喷嘴组、真空腔出射窗片、真空腔、气体管道、真空泵和太赫兹探测系统，从飞秒激光器出射的泵浦激光依次通过聚焦透镜和倍频晶体后形成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片后进入真空腔，并在真空腔内聚焦，在聚焦透镜焦点附近形成等离子体拉丝，真空泵接真空腔，气体管道入气口置于真空腔外部，气体管道出气口与置于在真空腔内的结构可变的气体喷嘴组相通，气体喷嘴组的喷嘴对着等离子体拉丝，并与等离子体传播方向垂直，气体通过气体管道经气体喷嘴组通入真空腔内，对双色场光源进行调制，调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片离开真空腔进入太赫兹探测系统。

所述气体管道可为数个气体管道，每个气体管道出气口均通过阀门与置于在真空腔内的结构可变的气体喷嘴组相通。

本发明的有益效果在于：本发明基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置，在真空腔抽真空后，由气体喷嘴组持续稳定地通入气体在双色场光源聚焦等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过调整气体种类、气体喷嘴组的结构和参数可以控制气体靶的密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化。该方法的优点是所需气体喷嘴组的结构和参数包括气体喷嘴的孔径、孔间距和喷出气体的种类、气压、流量，此外气体喷嘴组通入的气体可以为任意气体或多种气体从不同管道进入，根据实验中所使用激光光源的参数以及产生的等离子体拉丝状态随时调整，装置结构简单，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置结构示意图；

图2为本发明多种气体由不同气体管道通入气体喷嘴组的示意图。

具体实施方式

如图1所示基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置结构示意图，装置包括飞秒激光器1、聚焦透镜2、倍频晶体3、真空腔入射窗片4、气体喷嘴组5、真空腔出射窗片6、真空腔7、气体管道8、真空泵9和太赫兹探测系统10。从飞秒激光器1出射的泵浦激光依次通过聚焦透镜2和倍频晶体3后形成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片4后进入真空腔7，并在真空腔7内聚焦，在聚焦透镜2焦点附近形成等离子体拉丝，气体管道8入气口置于真空腔7外部，气体管道8出气口与置于在真空腔7内的结构可变的气体喷嘴组5相通，气体喷嘴组5的喷嘴对着等离子体拉丝，并与等离子体传播方向垂直，在真空泵9抽真空后，由气体管道8向气体喷嘴组5持续稳定地通入气体，气体在等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过调整通入气体的种类、气压、流量和气体喷嘴组5的结构、参数可以控制气体靶的密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色场光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化，最终调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片6离开真空腔7进入太赫兹探测系统10。

多种气体由不同气体管道通入气体喷嘴组示意图如图2所示，从飞秒激光器1出射的泵浦激光通过聚焦透镜2和倍频晶体3后形成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片4后进入真空腔7，并在真空腔7内聚焦，在聚焦透镜2焦点附近形成等离子体拉丝，数个气体管道8入气口置于真空腔7外部，每个气体管道8出气口通过各自的阀门11与置于在真空腔7内的结构可变的气体喷嘴组5相通，气体喷嘴组5的喷嘴对着等离子体拉丝，并与等离子体传播方向垂直。通过控制阀门的开关，选择气体喷嘴组5接通不同种类气体的气体管道8，并且可以独立控制通入气体的气压和流量。在真空泵9抽真空后，由气体管道8分别向气体喷嘴组5持续稳定地通入气体在等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过调整通入气体的种类、气压、流量和气体喷嘴组5的结构、参数可以控制气体靶的密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化，最终调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片6离开真空腔7进入太赫兹探测系统10。

根据等离子体折射率公式，是等离子通道内的电子密度分布，是等离子体临界密度，,表示真空介电常数，表示电子质量，表示光速，表示入射泵浦激光的中心波长，表示电子电荷。根据洛伦茨-洛伦兹折射度公式，气体密度和折射率之间的关系可以由公式得出,其中表示气体折射率，M表示气体摩尔质量，表示气体密度，表示折射度，数值为常数。气体喷嘴喷出的气体靶密度呈锥状分布，且中心气体密度高四周气体密度线性降低，由于气体喷嘴组5位于等离子体拉丝处的侧面，则等离子体传播方向上的气体靶有密度升高降低的连续分布，相对应的等离子体电子密度也有升高降低的连续分布。通过改变气体种类、气体喷嘴组的结构和参数包括孔径、孔间距、孔个数和喷出气体的气压、气体流量，可以方便的改变等离子体电子密度分布，从而实现太赫兹脉冲强度的优化。

在下面的实施例中，以输出光中心波长为800nm的激光器为例，其他波段与该波段的实施方法一致。

对于一种气体通入气体喷嘴组的实验装置，激光器输出光中心波长为800nm，脉冲宽度为130fs，重复频率1KHz，以BBO倍频晶体3获得400nm的倍频光，气体喷嘴组5有四个喷嘴，通入氦气为例，具体实现通过控制气体喷嘴组结构优化产生太赫兹脉冲强度的调节过程如下：从飞秒激光器1出射的800nm泵浦激光依次通过聚焦透镜2和倍频晶体3后产生的400nm倍频光合成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片4进入真空腔7，并在真空腔7内聚焦，聚焦透镜2的焦点附近形成等离子体拉丝，结构可调节的气体喷嘴组5放置在真空腔7内等离子体拉丝传播方向的侧面，打开真空泵9抽真空至10^-2Pa后关闭，由气体管道8通过气体喷嘴组5持续稳定地通入氦气，在等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过对气体喷嘴组5孔径、孔间距和喷出气体气压和流量等参数进行调节，改变800nm基频光和400nm倍频光在传播方向上所通过的等离子体电子密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化，最终调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片6离开真空腔7进入太赫兹探测系统10。

对于多种气体由不同气体管道通入气体喷嘴组的实验装置，激光器输出光中心波长为800nm，脉冲宽度为130fs，重复频率1KHz，以BBO倍频晶体3获得400nm的倍频光，气体喷嘴组5有四个喷嘴，由两个气体管道8分别通入氦气和氩气为例，具体实现通过控制气体喷嘴组结构优化产生太赫兹脉冲强度的调节过程如下：

从飞秒激光器1出射的800nm泵浦激光依次通过聚焦透镜2和倍频晶体3后产生的400nm倍频光合成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片4进入真空腔7，并在真空腔7内聚焦，聚焦透镜2的焦点附近形成等离子体拉丝，结构可调节的气体喷嘴组5放置在真空腔7内等离子体拉丝传播方向的侧面。气体喷嘴组5的四个喷嘴两两交错联通（第一个和第三个相连，与一气体管道相通，第二个和第四个相连，与另一个气体管道相通），各自通过两个分开的气体管道分别通入氩气和氦气，即从第一个喷嘴依次到第四个喷嘴喷出气体顺序为氩气-氦气-氩气-氦气，或者氦气-氩气-氦气-氩气，每个气体管道都有阀门，可以独立控制通入气体的流量和气压。打开真空泵9抽真空至10^-2Pa后关闭，由气体管道8通过气体喷嘴组5同时持续稳定地通入氦气和氩气，在等离子体拉丝处产生密度分布不均匀的气体靶，通过对气体喷嘴组5孔径、孔间距和喷出气体气压和流量等参数进行独立调节，改变800nm基频光和400nm倍频光在传播方向上所通过的等离子体电子密度分布，从而改变等离子体的电子密度分布，调节双色光源在等离子体拉丝中的相位匹配情况，由此实现产生的太赫兹脉冲强度最大化，最终调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片6离开真空腔7进入太赫兹探测系统10。

在整个实验过程中，可调控的参数包括：气体种类、气体喷嘴组孔径、孔间距、孔个数和喷出气体的气压、气体流量。

Claims (2)

1.一种基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置，其特征在于，包括飞秒激光器、聚焦透镜、倍频晶体、真空腔入射窗片、气体喷嘴组、真空腔出射窗片、真空腔、气体管道、真空泵和太赫兹探测系统，从飞秒激光器出射的泵浦激光依次通过聚焦透镜和倍频晶体后形成双色场光源，双色场光源通过真空腔入射窗片后进入真空腔，并在真空腔内聚焦，在聚焦透镜焦点附近形成等离子体拉丝，真空泵接真空腔，气体管道入气口置于真空腔外部，气体管道出气口与置于在真空腔内的结构可变的气体喷嘴组相通，气体喷嘴组的喷嘴对着等离子体拉丝，并与等离子体传播方向垂直，气体通过气体管道经气体喷嘴组通入真空腔内，对双色场光源进行调制，调制后的太赫兹脉冲通过真空腔出射窗片离开真空腔进入太赫兹探测系统。

2.根据权利要求1所述基于气体喷嘴组调节太赫兹脉冲产生强度的装置，其特征在于，所述气体管道可为数个气体管道，每个气体管道出气口均通过阀门与置于在真空腔内的结构可变的气体喷嘴组相通。