CN103972769B - 一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，使用基波，双色场，三色光场作为初始驱动电场，通过在初始驱动电场中加入一个时间同步的弱太赫兹波电场，通过硅片将所有光和太赫兹波进行空间合束，合束后的光进入真空腔，与气体靶喷射的气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，再经过金属滤膜将去除高次谐波外其他光滤除，得到所需高次谐波。太赫兹波的加入可以将原有基波电场相邻半周期的对称性变化的更彻底，从而可以更大程度的调控电子的运动路径和最终的复合，高效地拓宽紫外超连续谱，并且适用于所有可以辐射高次谐波的飞秒光源，还能保证紫外精密光谱的线性啁啾，便于后期压缩得到超短的阿秒脉冲，甚至进入仄秒的时间范围。

Description

一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法

技术领域

本发明涉及一种高次谐波产生技术，特别涉及一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法。

背景技术

飞秒超快激光是人们对分子内部原子动力学过程研究的重要工具之一。自从1960年世界上第一台激光器诞生以来，强激光技术就得到了迅速的发展。强激光的发展经历了三个阶段：第一阶段利用调Q技术实现了纳秒量级的激光脉冲输出；第二阶段是利用主动锁模技术实现了皮秒量级的激光脉冲输出；第三阶段是通过啁啾脉冲放大技术得到了高强度的飞秒光脉冲。然而，原子和分子的超快电子过程一般发生在阿秒量级，而传统飞秒激光的极限脉宽约为2.6飞秒（包含一个光周期），所以对于原子和分子的超快电子过程研究需要更短脉宽的阿秒脉冲。

目前，对于探索阿秒脉冲的产生主要有两个可行的方向：一是利用超强超短脉冲与惰性气体的非线性效应产生高次谐波；另一种是相位锁定光学参量或者同步飞秒激光产生的可见光亚谐波合成技术。其中，高次谐波产生阿秒脉冲技术被认为是产生阿秒脉冲最为有效的办法。

一般高次谐波的产生方法有三种：第一种方法是利用周期量级脉冲电离气体介质产生高次谐波，在高次谐波的截止区位置附近产生超连续谱，通过傅里叶变换获得阿秒脉冲。该方法产生的阿秒脉冲强度往往比较低，对驱动脉冲的脉宽和载波相位都具有非常苟刻的要求。第二种方法是偏振门技术,通过采用偏振方向互相垂直的双色激光电场构建偏振时间门，控制电子波包的运动，调控偶极辐射，可以使用较长脉宽的泵浦激光脉冲获得单个阿秒脉冲，但是由于泵浦光在大部分时间范围内处在椭圆偏振态,降低了驱动电子的回复几率,从而导致了气体介质中高的自由电子密度，降低孤立阿秒脉冲的产生效率。第三种方法是双色场技术，通过在基波电场中加入一个弱二次谐波电场，打断原有基波电场相邻半周期的对称性，改变电子的运动路径和复合，从而有效地改变高次谐波谱截止区的位置和光谱范围，但是二次谐波电场对基波电场对称性的改变很小，从而对最后产生的高次谐波的光谱调谐范围也就非常有限，不利于产生超宽带可调谐的连续谱。

发明内容

本发明是针对现在高次谐波产生的超连续谱宽度不够和不能有效便捷调节的问题，提出了一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，通过在初始驱动电场中加入一个时间同步的弱太赫兹波电场，可以将初始驱动电场相邻半周期的对称性变化的更彻底，从而可以更大程度的调控电子的运动路径和最终的复合，可以高效地拓宽紫外超连续谱，并且适用于所有可以辐射高次谐波的飞秒光源。此外，外加弱太赫兹波场还能保证紫外精密光谱的线性啁啾，便于后期压缩得到超短的阿秒脉冲，甚至进入仄秒的时间范围。

本发明的技术方案为：一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，从飞秒光源出射的初始脉冲光经过分束片分成两束，一束经过延时系统输出，或通过外加驱动构成双色光源或三色光源后经过延时系统输出；另一束经过太赫兹波产生系统辐射出太赫兹波，太赫兹波的强度和频谱宽度可通过太赫兹波产生系统独立调节；出射的太赫兹波与延时系统的输出光通过硅片进行空间合束，合束后的光通过窗片进入真空腔，由真空腔内抛物面镜收集并聚焦在真空腔中的气体靶处，光与气体靶喷射的气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，产生的高次谐波和剩余的驱动场、太赫兹波通过输出窗口出射到金属滤膜，经过金属滤膜将剩余的驱动场、太赫兹波滤除，高次谐波进入X射线光谱仪被收集探测。

所述通过延时系统的一束光路可以是构建成产生高次谐波的各种光源，包括单束基波光源，双色光源，三色光源。

所述金属滤膜根据产生的高次谐波波段选取，有不同的紫外截止波长。

本发明的有益效果在于：本发明一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，通过在初始驱动电场中加入一个时间同步的弱太赫兹波电场，可以将原有可以辐射高次谐波的任意飞秒光源的驱动电场相邻半周期的对称性变化的更彻底，从而可以更大程度的调控电子的运动路径和最终的复合，可以高效地拓宽紫外超连续谱，并且适用于所有可以辐射高次谐波的飞秒光源。此外，外加弱太赫兹波场还能保证紫外精密光谱的线性啁啾，便于后期压缩得到超短的阿秒脉冲，甚至进入仄秒的时间范围。

附图说明

图1为本发明一种拓宽紫外超连续谱的装置结构示意图；

图2为本发明一种通过气体等离子体产生的太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的实施例1装置结构示意图；

图3为本发明一种通过气体等离子体产生的太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的实施例2装置结构示意图；

图4为本发明800nm单色光场外加太赫兹波场仿真模拟图；

图5为本发明800nm和2000nm双色光场外加太赫兹波场仿真模拟图。

具体实施方式

本发明一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法中，太赫兹波的产生方法包括如下几种：一，通过空气等离子体产生太赫兹波，主要基于四波混频原理，在激光汇聚点的前方加上一个倍频晶体，就会使得频率为的超快激光脉冲基波及其倍频光2同时在空气中聚焦，使空气电离，产生强的太赫兹辐射。利用该机制产生太赫兹辐射最大的优点是实验设备简单，结构紧凑，通过调节倍频晶体、聚焦透镜、双色半波片参数就能实现调控产生的太赫兹波的频谱宽度和强度。二，通过铌酸锂晶体产生太赫兹波，主要基于光整流效应，利用飞秒激光和非线性介质相互作用而产生低频电极化场辐射太赫兹波。利用周期极化的铌酸锂晶体可以产生超强的窄带太赫兹辐射。

高次谐波目前比较成功的理论解释是半经典的三步电离模型：首先在外加强电场的作用下，弱束缚电子遂穿过库伦场和激光场形成的势垒成为准自由电子，在线偏振激光场中进行加速运动获得动能，当驱动电场改变方向，电子减速反向回到原子核附近时与母核碰撞并以一定几率复合辐射出一个XUV光子。适用于本发明的产生高次谐波的外加驱动电场包括如下几种：一，基波，二，基波外加其倍频光所构建的双色场，三，基波外加其倍频光和三倍频光所构建的三色光场。

外加太赫兹波拓宽紫外超连续谱，主要基于双色场技术，因为太赫兹（THz）波段位于远红外和微波波段之间，波长相对通常产生高次谐波所用的近红外800 nm光要长很多,即它的一个光周期（等于中心波长除以光速）可以覆盖很多个800 nm的光周期。例如，2 THz（对应波长为150 µm）的光周期为500 fs，可以覆盖约186个800 nm的光周期（对应光周期为2.67 fs）。相较于传统的双色场（800 nm和400 nm合束）产生高次谐波而言，通过在基波驱动电场中加入一个时间同步的弱太赫兹波电场，可以将原有基波电场相邻半周期的对称性变化的更彻底，从而可以更大程度的调控电子的运动路径和最终的复合，可以高效地拓宽紫外超连续谱，并且适用于所有可以辐射高次谐波的飞秒光源。

如图1所示一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的装置结构示意图，由飞秒光源1，分束片2，反射镜A3，反射镜B4，反射镜C5，反射镜D6、反射镜E7、太赫兹波产生系统8、抛物面镜A9、高阻硅片10、窗片A11、真空腔12、抛物面镜B13、气体靶14、窗片B15、滤膜16和X射线光谱仪17组成。从可以辐射高次谐波的任意飞秒光源1出射的初始脉冲光经过分束片2分成两束，一束经过延时系统，或者通过外加不同装置，构建双色光源或三色光源，另一束经过太赫兹波产生系统8辐射出太赫兹波。太赫兹波的强度和频谱宽度可以独立调节和优化。产生的太赫兹波和构建后的驱动场（表示驱动电子运动的电场，这里表示产生高次谐波的电场）通过硅片进行空间合束，其时间重合通过调节延时系统实现。合束后的光通过窗片进入真空腔12，由真空腔中的抛物面镜13收集并聚焦在真空腔中气体靶14处，和气体靶喷射的气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，产生的高次谐波和剩余的驱动场、太赫兹波通过金属滤膜16后，驱动场和太赫兹波被滤除，高次谐波进入X射线光谱仪17被收集探测。

在下面的实施例中，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。

如图2所示实施例1，对于800nm单色光场外加弱太赫兹波场情况下，飞秒激光出射单色光源，中心波长为800 nm，脉冲宽度为35fs（频谱范围为760-840 nm），重复频率1 KHz，以空气等离子体方法获得超强超宽带太赫兹波，以BBO倍频晶体39获得400 nm的倍频光，窗片43为石英窗片，气体靶46采用氩气，滤膜48为铝膜为例，具体实现一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的装置及调节过程如下：由从飞秒光源31出射的800 nm波经过分束片32（分束比1：1）分成两束，一束800 nm波经过延时系统（延时系统由反光镜33、34、35、36组成），另一束800 nm波经过反光镜37改变方向后，依次通过聚焦透镜38、BBO晶体39、双色半波片40后在聚焦透镜38焦点附近产生空气等离子体，辐射出太赫兹波。太赫兹波的强度和频谱宽度可以通过调节改变聚焦透镜38、BBO晶体39角度、BBO晶体39位置和双色半波片40旋转角度几种方法进行优化。双色半波片40可以在不改变800 nm波偏振态的情况下，通过转动改变400 nm波的偏振态；BBO晶体39可以通过改变位置和转角，从而调节800 nm光和400 nm波的相位、偏振以及相对强度。产生的太赫兹波和800 nm波通过硅片42进行空间合束，其时间重合通过调节延时系统实现。真空腔44保持压强值小于10-2 Pa，合束后的光通过窗片43进入真空腔44，由抛物面镜45收集并聚焦在气体靶46处，和气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，产生的高次谐波和剩余的800 nm波、太赫兹波通过输出窗片47导到金属滤膜48，经过金属滤膜48将800 nm波和太赫兹波滤除，高次谐波进入X射线光谱仪49被收集探测。

在下面的实施例中，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。

如图3所示实施2，对于800nm的飞秒激光，脉冲宽度为35fs，重复频率1 KHz，经过分束片32分束后，一束可以通过OPA（光参量脉冲放大器）系统50产生2000 nm的光，与剩余的800 nm光合束构建双色光源；另一束光通过透镜38和BBO倍频晶体39后以空气等离子体方法获得超强超宽带太赫兹波，窗片A 43为石英窗片，气体靶46采用氩气，滤膜48为铝膜为例，具体实现一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的装置及调节过程如下：从飞秒激光31出射的800nm基波，经过分束片32分束后，一束光通过外加OPA系统产生2000 nm光和剩余的800 nm光构建双色光源，双色光源一起经过延时系统，另一束光经过聚焦透镜38、BBO晶体39、双色半波片40后在透镜焦点附近产生空气等离子体，辐射出太赫兹波。太赫兹波的强度和频谱宽度可以通过调节改变聚焦透镜38、BBO晶体39角度、BBO晶体39位置和双色半波片40旋转角度几种方法进行优化。双色半波片40可以在不改变800 nm波偏振态的情况下，通过转动改变400 nm波的偏振态；BBO晶体39可以通过改变位置和转角，从而调节800nm波和400 nm波的相位、偏振以及相对强度。产生的太赫兹波和构建的双色光源通过硅片42进行空间合束，其时间重合通过调节延时系统实现。真空腔44保持压强值小于10-2 Pa，合束后的光通过窗片43进入真空腔44，由抛物面镜45收集并聚焦在气体靶46处，和气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，产生的高次谐波和剩余双色光源、太赫兹波通过金属滤膜48后，800 nm波、2000 nm波和太赫兹波被滤除，高次谐波进入X射线光谱仪49被收集探测。

如图4所示800nm单色光场外加太赫兹波场仿真模拟图，通过在初始光场中增加空间时间重合的太赫兹波场（17 MeV/cm），紫外超连续谱被显著拓宽，由28eV拓宽到60 eV，如果太赫兹波场强度进一步提高到55 MeV/cm,紫外超连续谱也将被进一步拓宽到100 eV.

如图5所示800nm和2000nm双色光场外加太赫兹波场仿真模拟图，通过在初始光场中增加空间时间重合的太赫兹波场（17 MeV/cm），紫外超连续谱被显著拓宽，由93 eV拓宽到115 eV，如果太赫兹波场强度进一步提高到55 MeV/cm,紫外超连续谱也将被进一步拓宽到167 eV。

在整个实验过程中，可调控的参数包括：驱动光源、气体靶气体介质种类、倍频晶体转动角度、倍频晶体位置和双色半波片转动角度。

飞秒光源1分束后的进入延时系统的一束光路可以用于构建成产生高次谐波的各种光源，例如单束基波光源，双色光源，三色光源。

窗片是由可以同时透过初始光脉冲和太赫兹光的材料制备得到。

气体靶可以是各种气体，通常以惰性气体为主，例如氩气、氪气、氙气,也可以用氮气、空气。

滤膜是可以根据产生的高次谐波波段选取的金属薄膜，它们有不同的紫外截止波长，厚度通常在几十到几百纳米，例如铝膜，铬膜，锆膜、MgF2、Si3N4。

所述外加的太赫兹波可以由多种方法产生，例如空气等离子体和铌酸锂晶体产生，产生的太赫兹波强度和频谱宽度均可以独立调节。

Claims (3)

1.一种通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，其特征在于，从飞秒光源出射的初始脉冲光经过分束片分成两束，一束经过延时系统输出，或通过外加驱动构成双色光源或三色光源后经过延时系统输出；另一束经过太赫兹波产生系统辐射出太赫兹波，太赫兹波的强度和频谱宽度可通过太赫兹波产生系统独立调节；出射的太赫兹波与延时系统的输出光通过硅片进行空间合束，合束后的光通过窗片进入真空腔，由真空腔内抛物面镜收集并聚焦在真空腔中的气体靶处，光与气体靶喷射的气体介质发生非线性作用辐射出高次谐波，产生的高次谐波和剩余的驱动场、太赫兹波通过输出窗口出射到金属滤膜，经过金属滤膜将剩余的驱动场、太赫兹波滤除，高次谐波进入X射线光谱仪被收集探测。

2.根据权利要求1所述通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，其特征在于，通过延时系统的一束光路可以是构建成产生高次谐波的各种光源，包括单束基波光源，双色光源，三色光源。

3.根据权利要求1所述通过外加太赫兹波场拓宽紫外超连续谱的方法，其特征在于，所述金属滤膜根据产生的高次谐波波段选取，有不同的紫外截止波长。