CN104009371B - 一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种中心频率可调的高功率太赫兹源的产生装置，包括：激光器，用于产生周期量级的强激光脉冲；一对气体喷射枪，用于喷射出与所述强激光脉冲相互作用的非对称性介质；滤波器，用于滤除所述强光脉冲与所述气体喷射枪所喷射出的非对称性介质相互作用所产生的辐射波的高频成分。本发明实施例还公开了一种中心频率可调的高能太赫兹源的产生方法。采用本发明，通过非对称性介质在周期量级的强激光作用下太赫兹辐射强度高可达到10Mw/cm²量级，通过调节输入激光脉冲峰值强度实现对太赫兹辐射中心频率的控制，解决了当前主流的生产太赫兹脉冲技术不能实现在生成高能量太赫兹辐射波过程中，对中心频率的调节的问题。

Description

一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生装置及方法

技术领域

本发明涉及强场物理中激光与物质相互作用领域，尤其涉及一种产生强度高和中心频率可控的太赫兹源的方法及装置。

背景技术

太赫兹(THz)波是泛指频率在0.1～10THz的电磁波，是宏观光子学向微观电子学的过渡阶段。太赫兹电磁辐射具有很多独特的性质正是这些特性赋予了太赫兹辐射广泛的应用前景。如：高透性、低能性、吸水性、指纹谱性。另外，与低频电磁波相比，太赫兹频率较高，并有高信噪比，可以作为通讯载体，单位时间内可以承载更多的信息。太赫兹科学技术现在已经涉及到了通讯、军事、反恐、医学、安检和天文观测等领域,太赫兹电磁波段的开发和利用具有重大的科学意义和潜在的应用价值,太赫兹科学技术已经成为本世纪最为重要的科技问题之一。

如何产生高能量、高功率、高效率且能在室温下稳定运转和带宽可调的THz辐射源，成为当前科研人所追求的目标和迫切需要解决的实际问题。目前利用超快激光产生太赫兹波较为成熟，其中应用较广泛的太赫兹辐射产生方法是光电导天线法和光整流效应法。

光电导天线生成太赫兹的方法是利用高速光导体作为辐射天线的瞬态电流源，其物理机制是光电导材料(如GaAs)表面淀积金属制成天线电极结构，利用飞秒激光器照射两电极之间的光导体材料，会在其表面瞬时的产生大量自由电子—空穴对，这些光生载流子在外加电场或内建电场作用下被加速，并由于光生载流子的复合，在光导体表面会形成变化极快的光电流从而产生向外的太赫兹电磁辐射脉冲。光电导可以通过调节外加电场的大小来获得较强的太赫兹波，但是入射激光的中心频率和带宽是固定的，辐射出的太赫兹波带宽和中心频率是固定的，不能在产生太赫兹波辐射过程总实现对中心频率的调节。

光整流是一种非线性效应，基于光电效应的逆过程，用超短激光脉冲和电光晶体相互作用，由于差频振荡效益会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场可以辐射出太赫兹，辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关，入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射电磁波在太赫兹量级，光整流产生的太赫兹脉冲比优点在于输出辐射带宽，但是为了不损伤晶体，入射激光的能量应低于其损伤阈值，因此不能靠增加激光能量得到强太赫兹波，利用光整流产生太赫兹脉冲具有能量不高，中心频率低且能量转换效率低的缺陷。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生装置及方法。可在生成稳定的高强度、能量转换效率高的太赫兹辐射过程中，可实现对太赫兹辐射波中心频率的控制。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种中心频率可调的高功率

太赫兹辐射的产生装置，包括：

激光器，用于产生周期量级的强激光脉冲；

一对气体喷射枪，用于喷射出与所述强激光脉冲相互作用的非对称性介质，所述强激光脉冲的方向与所述一对气体喷射枪喷射出的非对称性介质的方向垂直，并聚集于所述喷射出的气体的中心点；

滤波器，用于滤除所述强光脉冲与所述气体喷射枪所喷射出的非对称性介质相互作用所产生的辐射波的高频成分。

进一步地，所述激光器的强激光脉冲包络双曲正割型，输出激光峰值强度不小于2*10⁸W/cm²。

进一步地，所述一对气体喷射枪喷射出的非对称性介质为极性气体。

更进一步地，所述极性气体为非对称双原子分子氦化氢。

进一步地，所述滤波器为通带范围处在太赫兹波段的滤波器。

更进一步地，所述滤波器为光子晶体太赫兹滤波器。

相应地，本发明实施例还提供了一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生方法，包括如下步骤：

步骤1：将非对称性介质充入一对气体喷射枪中；

步骤2：开启激光器发出周期量级的强激光脉冲，并将强激光脉冲聚焦于所述一对气体喷射枪喷射出气体的中心点位置处；

步骤3：使用滤波器对所述周期量级的强激光脉冲与所述非对称性介质发生共振产生的辐射波进行过滤，产生太赫兹辐射波，所述太赫兹辐射波的中心频率与所述强激光脉冲的峰值强度关系为其中μ₀、c和分别为真空中磁导率、真空中光速和普兰克常数，d₁₂为非对称性介质中的跃迁偶极矩，I为入射激光输出功率。

进一步地，所述非对称性介质为非对称性双原子分子氦化氢的极性气体，气体密度控制在10¹⁵～10¹⁷cm^-3范围之内。

进一步地，所述强激光脉冲的中心频率等于所述非对称性介质的跃迁频率，使得所述强激光脉冲与所述非对称性介质满足共振条件。

进一步地，所述强激光脉冲的峰值强度范围为2*10⁸～8*10¹³W/cm²。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过非对称性介质在周期量级的强激光作用下太赫兹辐射功率可达到10Mw/cm²量级，通过调节输入激光脉冲峰值强度实现对太赫兹辐射中心频率的控制，解决了当前主流的生产太赫兹脉冲技术不能实现在生成高功率太赫兹辐射波过程中，对中心频率的调节的问题。

附图说明

图1是本发明的太赫兹辐射的产生装置的结构示意图；

图2是入射激光脉冲的峰值功率I＝7.4207*10⁸W/cm²中心频率等于ω₀＝2.3fs^-1，生成太赫兹频域辐射波的示意图；

图3是入射激光脉冲的中心频率ω₀＝2.3fs^-1保持不变，生成太赫兹辐射波的中心频率随入射激光强度变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例公开了一种中心频率可调的高功率太赫兹源的产生装置，包括了激光器10、一对气体喷射枪20、滤波器30，参照图1所示结构示意图。

激光器10用于产生周期量极的强激光脉冲，一对相对向设置的气体喷射枪20用于喷射出与所述强激光脉冲相互作用的非对称性介质，滤波器30用于滤除所述强光脉冲与所述气体喷射枪所喷射出的非对称性介质相互作用所产生的辐射波的高频成分，通过滤波器的辐射波即为一种太赫兹频段的波源。

激光器10所产生的强激光脉冲的方向与气体喷射枪20所喷射出的非对称性介质的方向垂直，并聚集于所喷射出的气体的中心点上。

优选地，激光器的强激光脉冲包络为双曲正割型，输出激光峰值强度在2*10⁸W/cm²以上，激光中心频率ω₀等于与其相互作用的非对称性介质的跃迁频率ω_p，并且由于非对称性介质非零固有偶极矩的存在，多光子激发会增强，利于强激光场与非对称性介质发生强共振相互作用，生成有一定带宽的辐射波，该辐射波具有如下特点：辐射波的频谱在等于激光中心频率w0以及在其两侧w₀±ω_THz处有低能量的辐射，在ω_THz处出现高能量有一定带宽的辐射，且ω_THz处于太赫兹波段且即大小受到激光场强度的调制。

利用太赫兹频段的滤波器滤除高频成分w₀、w₀±ω_THz处有较低能量分布的辐射波，即生成以中心频率为ω_THz的太赫兹辐射波，通过控制激光场的强度实现对生成太赫兹的中心频率ω_THz调制，且周期量级的强激光场能生成强太赫兹辐射。

优选地，气体喷射枪喷射出的非对称性介质为极性气体，如非对称双原子分子氦化氢；滤波器为通带范围处在太赫兹波段的滤波器，如光子晶体太赫兹滤波器。

本发明实施例还公开了一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生方法，通过以下步骤完成。

在上述一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生装置的基础上，将非对称性介质充入一对气体喷射枪中，优选非对称性介质为非对称性双原子分子氦化氢的极性气体，气体密度控制在10¹⁵～10¹⁷cm^-3范围之内。

开启激光器发出周期量级的强激光脉冲，激光器发出的激光脉冲电场为E(t)＝E₀f(t)cos[ω₀(t-t₀)]＝E₀sech[1.76(t-t₀)τ_p]cos[ω₀(t-t₀)]，其中E₀为电场的峰值强度，f(t)＝sech[1.76(t-t₀)τ_p]为双曲正割型的激光的包络，ω₀为激光场的中心频率，τ_p为激光的脉宽，强激光脉冲的峰值强度范围为2*10⁸～8*10¹³W/cm²。

在本实施例中控制激光输入参数为电场的峰值强度E₀＝7.5×10⁵V/cm^-1(激光的峰值功率I＝7.4207×10⁸W/cm^-2)，激光场的中心频率等于与其相互作用的非对称性介质的跃迁频率ω₀＝ω_p＝2.3fs^-1，使得所述强激光脉冲与所述非对称性介质满足共振条件，输出激光的脉宽τ_p＝6fs，所述的周期量级的强激光脉冲如果让激光器发出周期量级的强激光脉冲方向与一对气体喷射枪所在轴向的垂直平分线重合聚焦于该对气体喷射枪喷射出气体所在轴向的中点位置处。

周期量级的强激光脉冲与喷射枪喷射出的非对称性介质在轴向中点位置处产生相互作用，产生一定带宽的辐射波，将该辐射波入射到所述滤波器后，辐射波频段为中心频率ω_THz＝0.14THz，如图2所示波形图。

太赫兹辐射波的中心频率与所述强激光脉冲的峰值强度关系为其中μ₀、c和分别为真空中磁导率、真空中光速和普兰克常数，d12为非对称性介质中的跃迁偶极矩，I为入射激光输出功率。

保持强激光脉冲的中心频率ω₀＝ω_P＝2.3fs^-1条件下，改变所述的激光器输出的激光场的峰值强度I，重复所述上述步骤，产生的太赫兹频段的辐射波的中心频率ω_THz随着输入激光场的峰值强度I的变化关系，图3所示，通过改变入射的强激光脉冲的光场强度可以改变太赫兹频段的辐射波的中心频率以及强度。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生周期量级的强激光脉冲；所述激光器的强激光脉冲包络为双曲正割型，输出激光峰值强度不小于2*10⁸W/cm²；

一对气体喷射枪，用于喷射出与所述强激光脉冲相互作用的非对称性介质，所述强激光脉冲的方向与所述一对气体喷射枪喷射出的非对称性介质的方向垂直，并聚集于所述一对气体喷射枪喷射出的气体的中心点；所述一对气体喷射枪喷射出的非对称性介质为极性气体；

滤波器，用于滤除所述强激光脉冲与所述气体喷射枪所喷射出的非对称性介质相互作用所产生的辐射波的高频成分；所述滤波器为通带范围处在太赫兹波段的滤波器；所述滤波器为光子晶体太赫兹滤波器；

所述太赫兹辐射波的中心频率与所述强激光脉冲的峰值强度关系为，其中、和分别为真空中磁导率、真空中光速和普兰克常数，为非对称性介质中的跃迁偶极矩，为入射激光输出功率。

2.一种中心频率可调的高功率太赫兹辐射的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将非对称性介质充入一对气体喷射枪中；

步骤2：开启激光器发出周期量级的强激光脉冲，并将强激光脉冲聚焦于所述一对气体喷射枪喷射出气体的中心点位置处；

步骤3：使用滤波器对所述周期量级的强激光脉冲与所述非对称性介质发生共振产生的辐射波进行过滤，产生太赫兹辐射波，所述太赫兹辐射波的中心频率与所述强激光脉冲的峰值强度关系为，其中、和分别为真空中磁导率、真空中光速和普兰克常数，为非对称性介质中的跃迁偶极矩，为入射激光输出功率。

3.根据权利要求2所述的高功率太赫兹辐射的产生方法，其特征在于，所述强激光脉冲的中心频率等于所述非对称性介质的跃迁频率，使得所述强激光脉冲与所述非对称性介质满足共振条件。

4.根据权利要求2所述的高功率太赫兹辐射的产生方法，其特征在于，所述强激光脉冲的峰值强度范围为2*10⁸～8*10¹³W/cm²。