CN106546555A - 空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法及光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气等离子体产生太赫兹波的调制方法。该方法包括：包括：步骤一、设计透镜相位图，透镜相位图是透镜相位因子的相位分布图；步骤二、在空气等离子体产生太赫兹波的光路系统上加载透镜相位图，产生等离子体细丝，辐射太赫兹波；步骤一中，设计透镜相位图的步骤包括：a、调节透镜相位图的相位分布，利用空气等离子体产生太赫兹波的光路系统产生太赫兹波；b、研究产生的太赫兹波的频谱与产生的等离子体形态之间的关系；c、设定预期产生的太赫兹波的频谱，计算产生该太赫兹波的两个等离子体之间的间距；d、计算透镜相位图的等效焦距f₁；e、设计透镜相位图。本发明实施例的方法操作简单，实现对太赫兹波频谱的动态调制，并提高了能量利用率。

Description

空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法及光路系统

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法及光路系统。

背景技术

由于许多极性大分子的振动和转动能级落在太赫兹频谱范围内，因此太赫兹波可用于物质的频谱测量与识别，不同的物质具有不同的频谱分布，俗称物质的“指纹谱”。因此太赫兹波被广泛应用于安全检测、生物制药和毒品爆炸物的检测和识别等领域。

电离空气诱导等离子体产生太赫兹波的方法是高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离现象形成等离子体，进而辐射出太赫兹波。此方法对太赫兹损耗最少，这使得空气等离子体辐射太赫兹波的方法在太赫兹远程探测中具有潜在应用价值。如果能够对输出的太赫兹波频谱实现调制得到预定想要的频谱分布，将其直接应用于远程探测，则将会有效地提高远程目标的探测效率。基于空气等离子体实现太赫兹调制的途径是：产生两个等离子体，两个等离子体分别辐射太赫兹波。当这两个太赫兹波满足相干匹配条件会相干叠加，从而使最终输出的太赫兹的频谱发生调制。

图1是现有技术一的利用半圆相位分布的相位板调制空气等离子体产生太赫兹波频谱的光学示意图。此方法是利用在产生两束太赫兹波的其中一束光路中放入一个半圆形的相位板来调制此束超短激光的相位分布，两束超短激光生成两个平行的等离子体细丝。当两个空气等离子体细丝辐射的太赫兹波满足位相匹配时，由相干叠加引起太赫兹波振幅的增强，从而改变输出太赫兹频谱的分布。此方法是对激光的波前相位做单一调控，只对空气等离子体辐射太赫兹波频谱的振幅有调制，而且由于相位板一旦完成制作，只能达到一种调制结果，若要获得其他的输出结果需另行制作相应的相位板，由此增加了实验成本。

图2是现有技术二的利用时间相干性调制空气等离子体产生太赫兹波频谱的光学示意图。此方法是将一束超短激光分为两束，通过调整两束光路的时间延时差，来改变这两束激光产生的两个太赫兹波的时间相干项，从而改变输出太赫兹频谱的分布。此方法只是利用了时间相干性来实现对太赫兹波频谱的调制，并且实验光路复杂，光学元件多对飞秒激光能量的损耗比较大。尤其对于非共线的空气等离子体细丝辐射太赫兹波的频谱调制的技术来说，频谱调制的主要贡献来源于空气等离子体细丝重合区域的太赫兹波电场的纵向分量的相干叠加，这使得飞秒激光的能量利用率大为降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中空气产生等离子体辐射太赫兹波的方法对太赫兹频谱的调制效果差、对泵浦光的能量利用率低、且光路系统复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法。包括：

步骤一、设计透镜相位图，所述透镜相位图是透镜相位因子的相位分布图；

步骤二、在空气等离子体产生太赫兹波的光路系统上加载透镜相位图，产生等离子体细丝，辐射太赫兹波；

步骤一中，所述设计透镜相位图的步骤包括：

a、调节透镜相位图的相位分布，利用空气等离子体产生太赫兹波的光路系统产生太赫兹波；

b、研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系；

c、设定预期产生的太赫兹波的频谱，计算产生该太赫兹波的两个等离子体之间的间距；

d、计算透镜相位图的等效焦距f₁；

e、设计透镜相位图。

优选地，所述两个等离子体细丝是由一束泵浦光经过所述透镜相位图，产生的串行的两个等离子体细丝。

优选地，所述步骤一中，所述透镜相位图用于调制所述泵浦光的波前相位分布，使所述泵浦光包含具有两种不同波前相位分布的第一泵浦光和第二泵浦光。

优选地，所述设定预期产生的太赫兹波的频谱为，设定所述太赫兹波的频谱的波谷位置对应的频率。

优选地，所述研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系的步骤包括：利用CCD摄像头拍摄所述产生的两条等离子体细丝的侧面轮廓分布并以此获取所述等离子体细丝的实际形态分布，包括等离子体细丝的长度，等离子体细丝的直径、等离子体细丝之间的间距。

优选地，所述研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系的步骤包括：基于切伦科夫理论模型计算所述产生的太赫兹波的频谱，具体基于公式(3)～(6)

其中，ω表示太赫兹波的圆频率，L_i表示两条等离子体细丝的长度，φ_i＝ωτ_i表示由于飞秒脉冲激光之间的时间延时引起的太赫兹波电场的累积的相位差，τ_i表示第一泵浦光与第二泵浦光之间的时间延时，R_i表示第i条等离子体细丝辐射源到探测设备的距离。θ_i表示两条等离子体细丝分别辐射的太赫兹波的辐射角，k表示太赫兹波的波数，j_i(ω)是与频率相关的电流密度，

E_Li＝eω_peiIo_i/2m_eε₀c²ω₀ ²表示等离子体波的振幅，表示等离子体电子振荡频率，ω₀表示飞秒脉冲激光的圆频率，n_ei为第i条等离子体的电子密度，ν_ei表示电子碰撞频率，τ_L表示飞秒脉冲激光的持续时间。

优选地，所述第二泵浦光产生的等离子细丝辐射的太赫兹波的辐射角θ₂的范围为太赫兹波的频率范围为[0,3THz]，太赫兹波的波数k的范围为[0,6.283e⁴/m]。

优选地，所述计算所述透镜相位图的等效焦距的步骤中，计算得到的所述等效焦距范围为400mm～1000mm。

优选地，所述泵浦光采用飞秒脉冲激光。

本发明还提供了一种空气等离子体产生太赫兹波的光路系统。包括：

泵浦光生成装置，用于生成泵浦光，泵浦光用于与空气发生作用，生成太赫兹波；

空间光调制器，放置于所述泵浦光的传播路径中，加载有透镜相位图，用于调制所述泵浦光的波前相位分布，形成具有两种不同波前相位分布的第一泵浦光和第二泵浦光；

第二透镜，放置于所述空间光调制器之后，用于对所述第一泵浦光和所述第二泵浦光进行聚焦，以在两个焦点处分别产生等离子体细丝；

探测晶体，用于接受所述太赫兹波的照射，所述太赫兹波通过电光效应调制所述探测晶体的折射率椭球，使探测晶体704携带太赫兹波的信息；

探测光生成装置，用于生成探测光，所述探测光用于与所述太赫兹波同时照射所述探测晶体，以间接探测到所述太赫兹波；

探测设备，放置于所述光路系统的最末端，用于接收所述探测光，通过差分探测的方式采集所述太赫兹波的电信号。

优选地，所述产生的两个等离子体细丝是沿所述泵浦光传播方向串行的。

优选地，所述透镜相位图的等效焦距范围为400mm～1000mm。

本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法以及空气等离子体产生太赫兹波的光路系统，采用对一束飞秒脉冲激光加载透镜相位图的方法，使其波前相位发生改变，进而生成两条串行的等离子体细丝，产生满足相干条件的两个太赫兹波，利用时间相干性与空间相干性发生相干叠加，得到预期的太赫兹波的频谱分布。本发明实施例的方法操作简单，只需要改变透镜相位图的相位因子分布，就可以实现对产生的太赫兹波的频谱的动态且灵活的调制。本发明实施例的光路系统简单，利用了未被SLM调制的第一泵浦光来聚焦电离空气作为另一太赫兹辐射源参与太赫兹波的调制，充分利用了飞秒激光的能量，提高了能量利用率。

附图说明

图1是现有技术一的利用半圆相位分布的相位板调制空气等离子体产生太赫兹波频谱的光学示意图；

图2是现有技术二的利用时间相干性调制空气等离子体产生太赫兹波频谱的光学示意图；

图3是本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的调制方法；

图4是本发明实施例的调制空气等离子体产生太赫兹波的原理示意图；

图5是本发明实施例的太赫兹波频谱的波谷频率与等离子体间距的关系示意图；

图6(a)是本发明实施例一的透镜相位图；

图6(b)是本发明实施例二的透镜相位图；

图6(c)是本发明实施例三的透镜相位图；

图6(d)是本发明实施例四的透镜相位图；

图7是本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的光路系统示意图；

图8是本发明实施例的双等离子体产生的太赫兹波频谱与单等离子体产生的太赫兹波的频谱的对比图；

图9是本发明实施例的四种透镜相位图产生的太赫兹波频谱的对比图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法通过在一束飞秒脉冲激光的传播路径中利用空间光调制器加载一个透镜相位图，使飞秒脉冲激光的波前相位发生改变，会聚之后产生前后两个焦点，在两个焦点处分别形成两个空气等离子体细丝，辐射出两个太赫兹波。当两个空气等离子体细丝的尺寸和间距在一定数值范围内时，会发生干涉作用，最终得到一个干涉叠加后的太赫兹波。因此，通过调节透镜相位图上相位的分布状态，可以动态调节产生的两个空气等离子体细丝的尺寸和间距，进而调制产生的两个太赫兹波发生干涉叠加后的太赫兹波的频谱分布，从而获得任意预期的太赫兹波。

图3是本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的调制方法。包括：

步骤301，设计透镜相位图。透镜相位图是透镜相位因子的相位分布图。

步骤302，在空气等离子体产生太赫兹波的光路系统上加载透镜相位图，产生等离子体细丝，辐射太赫兹波。

图4是本发明实施例的调制空气等离子体产生太赫兹波的原理示意图。以下结合图4说明步骤301设计该透镜相位图所需的理论依据：

401、一束飞秒脉冲激光经过透镜相位图，波前相位发生改变。

一束飞秒脉冲激光经过相位图的调制，波前相位发生改变，形成两部分光，分别为第一泵浦光和第二泵浦光。其中，第二泵浦光的波前相位未发生改变，第一泵浦光的波前相位发生改变，并且其相位的变化等同于焦距为f₁的第一透镜L1的作用。第一泵浦光的波前相位变化，由菲涅尔衍射理论计算得出，如下公式(1)。

其中，U(x₀,y₀)和U(x₁,y₁)分别表示飞秒脉冲激光的原始光场分布和重构光场分布。相位分布可以从光场分布中提取出来。原始光场分布是指由经过透镜相位图调制后的飞秒脉冲激光会聚后形成的焦点的光场分布，重构光场分布是指透镜相位图出射面的被调制的飞秒脉冲激光的光场分布。(x₀,y₀)和(x₁,y₁)分别表示为原始光场分布和重构光场分布的观察面坐标。k和λ分别为飞秒脉冲激光在真空中的波矢和波长，d_eff为飞秒脉冲激光的传播距离。

402、第一泵浦光和第二泵浦光经过第二透镜L2，产生两个等离子体细丝。

两种不同波前分布的第一泵浦光和第二泵浦光，在经过焦距为f₂的第二透镜L2后，产生双焦点P₁和P₂，两个焦点间距为d。在两个焦点处分别形成两个空气等离子体细丝。

本发明实施例中，透镜相位图对第一泵浦光产生的作用相当于凸透镜的作用，所以f₁>0，第一泵浦光先于第二泵浦光发生聚焦，即焦点f₁在焦点f₂之前。

第二透镜L2的焦距f₂的大小影响第一泵浦光和第二泵浦光聚焦的位置，即影响P₁和P₂的位置。也可以说，相位图和透镜L2可等效为一透镜组。该透镜组对第二泵浦光的作用相当于透镜L2单独作用，该透镜组对第一泵浦光的作用相当于透镜L1和透镜L2所形成的透镜组的作用。因此，第二泵浦光经过透镜L2后，在p₂＝f₂+D距离处聚焦，第一泵浦光经过透镜L2后，在

p₁＝[f₁(f₂+D)-D²]/(f₁+f₂-D)距离处聚焦。因此两个焦点之间的间距如下公式(2)表示。

d＝p₂-p₁＝f₂ ²/(f₁+f₂-D) (2)

其中，D是透镜相位图和第二透镜L2之间的距离，并且D<f₁。d也是产生的两个等离子体细丝之间的间距。

404、两个等离子体细丝辐射两个太赫兹波发生干涉叠加。

两个等离子体细丝辐射出两个太赫兹波，这两个太赫兹波进行干涉叠加的过程遵从切伦科夫理论模型。文献“Sergey I.Mitryukovskiy,Yi Liu,Bernard Prade,AurélienHouard,and AndréMysyrowicz,“Coherent synthesis of terahertz radiation fromfemtosecond laserfilaments in air,”Appl.Phys.Lett.102,221107(2013)”中已对并行的两条等离子体细丝产生的太赫兹波的总电场进行了研究。本发明实施例基于此研究进行进一步推演，得到串行的两条等离子体细丝产生的太赫兹波的总电场表达式如下公式(3)

其中ω表示太赫兹波的圆频率，L_i表示两条等离子体细丝的长度，φ_i＝ωτ_i表示由于飞秒脉冲激光之间的时间延时引起的太赫兹波电场的累积的相位差，τ_i表示第一泵浦光与第二泵浦光之间的时间延时，R_i表示第i条等离子体细丝辐射源到探测设备的距离。θ_i表示两条等离子体细丝分别辐射的太赫兹波的辐射角，k表示太赫兹波的波数。

j_i(ω)是与频率相关的电流密度，表达式为公式(4)：

其中，E_Li＝eω_peiI_oi/2m_eε₀c²ω₀ ²表示等离子体波的振幅，表示等离子体电子振荡频率，其中ω₀表示飞秒脉冲激光的圆频率，n_ei表示第i条等离子体的电子密度，ν_ei表示电子碰撞频率，τ_L表示飞秒脉冲激光的持续时间。

第二泵浦光产生的等离子体细丝到探测设备的距离R₂可通过测量得到，产生的太赫兹波的辐射角θ₂可以根据接收该太赫兹波的光学元件的尺寸以及等离子体细丝到该光学元件的距离参数计算得到。第一泵浦光产生的等离子体细丝到探测设备的距离R₁和产生的太赫兹波的辐射角θ₁分别可通过公式(5)和公式(6)计算得到。

其中，L₁表示第一条等离子体细丝的长度，L₂表示第二条等离子体细丝的长度，d表示两条等离子体细丝之间的间距。

根据以上理论，透镜相位图的设计方法如下：

501、调节透镜相位图的相位分布，利用空气等离子体产生太赫兹波的光路系统产生太赫兹波。

根据公式(3)～(6)，两个等离子体细丝产生的太赫兹波的总电场与以下参数有关，包括第一泵浦光与第二泵浦光之间的时间延时τ_i、由τ_i引起的太赫兹波电场的累积的相位差φ_i＝ωτ_i、飞秒脉冲激光的圆频率ω₀、电子碰撞频率ν_ei、等离子体细丝的长度L_i、等离子体波的振幅E_Li＝eω_peiI_oi/2m_eε₀c²ω₀ ²、等离子体电子振荡频率第i条等离子体的电子密度n_ei，等离子体细丝辐射源到探测设备的距离R_i、等离子体之间的间距d、太赫兹波的圆频率ω、太赫兹波的辐射角θ_i、太赫兹波的波数k。

本发明实施例中，两条等离子体细丝是由同一束飞秒脉冲激光经过透镜相位图调制后产生的两束波前相位分布不同的第一泵浦光IV和第二泵浦光Ⅴ产生。所采用的飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，脉冲持续时间为50fs，重复频率为1kHz，圆频率为ω₀＝2πc/λ＝2.356e¹⁵rad/s。第二泵浦光产生的等离子细丝辐射的太赫兹波的辐射角θ₂的范围为太赫兹波的频率范围为[0,3THz]，太赫兹波的波数k的范围为[0,6.283e⁴/m]。

本发明实施例的方法调节透镜相位图的相位分布，以改变产生的两个等离子体的形态，比如等离子体细丝的长度L_i，等离子体细丝的直径、等离子体之间的间距d，从而产生不同的太赫兹波的频谱，得到多个太赫兹波频谱。

502、研究产生的太赫兹波的频谱与产生的等离子体形态之间的关系。

本发明实施例中，利用CCD摄像头拍摄产生的两条等离子体细丝的侧面轮廓分布并以此获取等离子体的实际形态分布，包括等离子体细丝的长度L_i，等离子体细丝的直径、等离子体之间的间距d。

结合切伦科夫辐射理论模型公式(3)～(6)研究步骤501中等离子体形态与产生的太赫兹波的频谱之间的关系，发现等离子体之间的间距d对产生的太赫兹波频谱的波谷位置影响显著。因此本发明实施例提取了所有太赫兹波频谱的波谷对应的频率，得到波谷频率关于等离子体之间的间距d的变化规律，并对研究结果进行了实验验证。

图5是本发明实施例的太赫兹波频谱的波谷频率与等离子体间距的关系示意图。图中，横坐标为两个等离子体之间的间距，纵坐标为太赫兹频率，该太赫兹频率是对应等离子体间距下产生的太赫兹频谱从低频到高频出现的第一个波谷对应的频率。图中实线是由切伦科夫辐射理论模型计算得到的模拟曲线，星号代表实验测量值，实验测量值的大小及变化趋势与理论模拟曲线基本符合，证明了由切伦科夫辐射理论模型得到的曲线的正确性。

从图5中的曲线可以看出两个等离子体产生的太赫兹波相干叠加后的频谱分布随两个等离子体间距的变化规律。因此，通过改变两个等离子体之间的间距d，便可以调制产生的太赫兹波的频谱分布。反之，给定一个预期的太赫兹波的频谱，根据频谱上出现的第一个波谷的位置，可以确定产生此太赫兹波的两个等离子体之间的间距d。

503、设定预期产生的太赫兹波的频谱，计算产生该太赫兹波的两个等离子体之间的间距。

本发明实施例一中，确定预期太赫兹波频谱上的第一个波谷出现在1.058THz，根据图5所示曲线，可以得到产生该预期太赫兹波的两个等离子体细丝的间距为d₁＝13.89mm。

本发明实施例二中，确定预期太赫兹波频谱上的第一个波谷出现在1.1853THz，根据图5所示曲线，可以得到产生该预期太赫兹波的两个等离子体细丝的间距为d₂＝6.579mm。

本发明实施三例中，确定预期太赫兹波频谱上的第一个波谷出现在1.0904THz，根据图5所示曲线，可以得到产生该预期太赫兹波的两个等离子体细丝的间距为d₃＝5.208mm。

本发明实施例四中，确定预期太赫兹波频谱上的第一个波谷出现在0.915THz，根据图5所示曲线，可以得到产生该预期太赫兹波的两个等离子体细丝的间距为d₄＝3.205mm。

504、计算透镜相位图的等效焦距f₁。

确定了两个等离子体之间的间距d之后，根据公式(2)，就可以计算得到透镜相位图的等效焦距f₁。

本发明的所有实施例中，计算得到透镜相位图的等效焦距f₁的范围在400mm～1000mm之间。

本发明实施例一中，f₂＝50mm，D＝270mm，d₁＝13.89mm，代入公式(2)，计算得到透镜相位图的等效焦距为f₁₁＝400mm。

本发明实施例二中，f₂＝50mm，D＝270mm，d₂＝6.579mm，代入公式(2)，计算得到透镜相位图的等效焦距为f₁₂＝600mm。

本发明实施例三中，f₂＝50mm，D＝270mm，d₃＝5.208mm，代入公式(2)，计算得到透镜相位图的等效焦距为f₁₃＝700mm。

本发明实施例四中，f₂＝50mm，D＝270mm，d₄＝3.205mm，代入公式(2)，计算得到透镜相位图的等效焦距为f₁₄＝1000mm。

505、设计透镜相位图。

根据透镜相位图的等效焦距f₁设计透镜相位图。

本发明实施例一至实施例四分别根据等效焦距f₁₁＝400mm、f₁₂＝600mm、f₁₃＝700mm、f₁₄＝1000mm，结合公式(1)设计出四种不同的透镜相位图。

图6(a)是本发明实施例一的透镜相位图。图6(b)是本发明实施例二的透镜相位图。图6(c)是本发明实施例三的透镜相位图。图6(d)是本发明实施例四的透镜相位图。

步骤302中，在空气等离子体产生太赫兹波的光路系统中的空间光调制器上依次加载上步骤503设计的四种透镜相位图，各自产生串行的两个等离子体，辐射出四种预期的太赫兹波。

图7是本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的光路系统示意图。如图所示，该光路系统包括：泵浦光生成装置701、探测光生成装置702、空间光调制器703、第二透镜L2、探测晶体704、探测设备705。

泵浦光生成装置701用于生成泵浦光Ш，泵浦光Ш用于与空气发生作用，生成太赫兹波Ⅵ。

空间光调制器703放置于泵浦光Ш的传播路径中，用于调制泵浦光Ш的波前相位分布，从而调制生成的太赫兹波Ⅵ的频谱分布。本发明实施例中，空间光调制器703可以加载上具有不同焦距的透镜相位因子的透镜相位图，通过计算机控制空间光调制器703，加载上特定的透镜相位图，经过该透镜相位图调制过的泵浦光Ш包含两种不同波前相位分布的泵浦光，分别是第一泵浦光Ⅳ和第二泵浦光Ⅴ。

第二透镜L2放置于空间光调制器703之后，用于对第一泵浦IV和第二泵浦光Ⅴ进行聚焦，以在两个焦点处分别产生等离子体，第二透镜L2的焦距为50mm。

探测晶体704用于接受太赫兹波Ⅵ的照射，太赫兹波Ⅵ通过电光效应调制探测晶体704的折射率椭球，因此探测晶体704携带了太赫兹波Ⅵ的信息。探测晶体704是具有电光效应的电光晶体，可采用ZnTe晶体、GaP晶体等。

探测光生成装置702用于生成探测光II，探测光II用于与太赫兹波Ⅵ同时照射探测晶体704，以间接探测到太赫兹波Ⅵ。

探测设备705放置于该光路系统的最末端，用于接收探测光II，从而通过差分探测的方式采集到太赫兹波Ⅵ的电信号。

该光路系统还包括机械斩波器706，与探测设备705电连接，放置于泵浦光Ш照射空间光调制器703之前的光路中以调制泵浦光输出的重复频率。

该光路系统还包括扩束镜707，用于对泵浦光Ш进行扩束。

该光路系统还包括聚乙烯板708，用于在产生太赫兹波Ⅵ之后，吸收残余的泵浦光Ш。

该光路系统还包括第一偏振片709，用于对太赫兹波Ⅵ的偏振态进行保偏。

该光路系统还包括抛物面镜PM1和抛物面镜PM2，抛物面镜PM1用于准直太赫兹波Ⅵ，抛物面镜PM2用于聚焦太赫兹波Ⅵ。本发明实施例中，抛物面镜PM1的焦距为10cm，抛物面镜PM2的焦距为15cm，两个抛物面镜PM1和PM2的直径都是50.8mm。

该光路系统还包括金属板710，放置于抛面镜PM1和抛面镜PM2之间一最优位置，用于阻挡太赫兹波Ⅵ的某一偏振态的电场分量，以实现在光路系统探测设备上测量太赫兹波Ⅵ波信号最大化。这是因为飞秒脉冲激光经过第二透镜L2聚焦诱导形成的等离子体细丝辐射的太赫兹波的偏振为径向偏振态，而径向偏振的太赫兹波在对称方向的电场分量的相位正好相反，如果直接测量太赫兹信号，会因为相位相反而产生对称方向的电场分量相互抵消，这样测量得到的太赫兹信号是很微弱的，几乎为零。因此，利用金属板阻挡部分太赫兹波，如放置于抛面镜PM1和抛面镜PM2之间一最优位置来阻挡某一偏振分量的太赫兹波，以实现测量得到的太赫兹波信号最大化。

该光路系统还包括衰减片711，用于调弱探测光II的强度到适当的值。

该光路系统还包括第二偏振片712，用于对探测光II的偏振态进行保偏。

该光路系统还包括第三透镜L3，用于对探测光II进行聚焦，焦距为20mm。

该光路系统还包括硅片713，用于将探测光II和太赫兹波Ⅵ重合后照射到探测晶体704上。

该光路系统还包括λ/4波片714、第四透镜L4、第一偏振分束棱镜715。其中，第一偏振分束棱镜715用于将探测光II分成两个偏振方向互相垂直的线偏振光束，在探测设备上实现差分测量；λ/4波片714位于第一偏振分束棱镜715的入射面一侧，用于调整分成的两束线偏振光的光强，以使两束光的光强相等；第四透镜L4位于第一偏振分束棱镜715的入射面一侧，用于将探测光II会聚入射到第一偏振分束棱镜715上。本发明实施例中，第一偏振分束棱镜715采用沃拉斯顿棱镜。

该光路系统还包括电动平移台716，用于连续改变太赫兹波Ⅵ与探测光II之间的光程差。该电动平移台716包括平面反射镜M1和M2，用于改变光束的传播方向。电动平移台716可放置于太赫兹波Ⅵ的传播路径中，也可放置于探测光II的传播路径中。

本发明实施例的光路系统还包括反射镜M3、M4、M5，分布在该光路系统中适当位置，用于改变光束的传播方向。

本发明实施例的光路系统中，泵浦光生成装置和探测光生成装置为同一个飞秒脉冲激光器，即泵浦光Ш和探测光II产生于同源的飞秒脉冲激光器。此时，该光路系统还包括λ/2波片717和第二偏振分束棱镜718。第二偏振分束棱镜718用于将激光器出射的水平偏振的飞秒脉冲激光Ι分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光即水平线偏振光Ш和竖直线偏振光II，将水平线偏振光Ш作为泵浦光，用于产生太赫兹波Ⅵ，将竖直线偏振光II作为探测光。λ/2波片317位于第二偏振分束棱镜718的入射面一侧，用于调节水平线偏振光Ш和竖直线偏振光II的相对光强。

本发明实施例的光路系统由Spectra-physics激光器提供同源的泵浦光和探测光，该激光器发射的飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，脉冲持续时间为50fs，重复频率为1kHz。该光路系统经调制，泵浦光的平均功率范围为650-700mW，探测光的平均功率范围为18-20mW。

结合图4和图5，本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的光路系统的主要工作过程如下：

飞秒脉冲激光由激光器出射后依次通过λ/2波片717和第二偏振分束棱镜718，分束后产生两路光束，分别为水平偏振的泵浦光Ш和竖直偏振的探测光II。泵浦光Ш经扩束镜扩束后照射到空间光调制器703上。计算机控制空间光调制器703加载上特定的透镜相位图，对泵浦光Ш的波前相位分布进行调制。泵浦光Ш经过透镜相位图的调制后变为两部分，一部分是被透镜相位图调制的水平偏振态的第一泵浦光IV，另一部分是未被透镜相位图调制过的竖直偏振态的第二泵浦光Ⅴ。第一泵浦光IV和第二泵浦光Ⅴ经过第二透镜L2后分别在p₁和p₂两个焦点处会聚。当两个焦点处的能量超过电离空气阈值时，形成具有不同时空分布的两条空气等离子体细丝。形成的两条等离子体细丝的空间间距d随空间光调制器703上加载的透镜相位图的不同而改变。这两条等离子体细丝分别辐射出太赫兹波，偏振态皆为径向偏振态。两束太赫兹波发生干涉叠加形成具有特定频谱的太赫兹波Ⅵ。其频谱分布特性由空间光调制器703上加载的相位图决定。太赫兹波Ⅵ透过硅片继续照射到探测晶体704上，通过电光效应调制探测晶体704的折射率椭球。同时探测光II经第三透镜L3会聚后，经硅片713反射后沿与太赫兹波Ⅵ重合的方向入射到探测晶体704上，出射的探测光II的偏振态由于探测晶体704折射率椭球的改变随之发生改变，因此探测光II间接获取了太赫兹波Ⅵ的信息。最后探测光II经第四透镜L4会聚并由λ/4波片714对其偏振态进行调整后入射到偏振分束棱镜715上，分成偏振方向互相垂直、光强相等的两个线偏振光束，探测设备705采用差分探测技术对太赫兹波Ⅵ进行测量，记录实验数据。

图8是本发明实施例的双等离子体产生的太赫兹波频谱与单等离子体产生的太赫兹波的频谱的对比图。图中，虚线为仅用单透镜聚焦电离空气产生的单条细丝辐射的太赫兹波的频谱分布；实线为加载上焦距为700mm的透镜因子的相位图产生的双焦点形成的等离子体辐射的太赫兹波的频谱分布。可以看到，飞秒脉冲激光经过透镜相位图调制后产生的太赫兹波与未经透镜相位图调制产生的太赫兹波的频谱相比，出现了两个波谷，说明了利用透镜相位图能够很好地实现对等离子辐射的太赫兹波频谱的调制。

图9是本发明实施例的四种透镜相位图产生的太赫兹波频谱的对比图。观察图中4种频谱可知，在400mm～1000mm范围内，焦距为600mm的透镜相位图对应的频谱上的波谷最为明显，说明此时两个等离子体辐射的太赫兹波之间干涉效应最强，该透镜相位图对产生的太赫兹波的频谱的调制作用最显著。两个端点处即焦距为400mm和1000mm处的透镜相位图对应的频谱上的波谷最不明显，说明两个等离子体辐射的太赫兹波之间干涉效应很弱，这两种透镜相位图对产生的太赫兹波的频谱的调制作用最弱。

本发明实施例的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法以及空气等离子体产生太赫兹波的光路系统，采用对一束飞秒脉冲激光加载透镜相位图的方法，使其波前相位发生改变，进而生成两条串行的等离子体细丝，产生满足相干条件的两个太赫兹波，利用时间相干性与空间相干性发生相干叠加，得到预期的太赫兹波的频谱分布。本发明实施例的方法操作简单，只需要改变透镜相位图的相位因子分布，就可以实现对产生的太赫兹波的频谱的动态且灵活的调制。本发明实施例的光路系统简单，利用了未被SLM调制的第一泵浦光来聚焦电离空气作为另一太赫兹辐射源参与太赫兹波的调制，充分利用了飞秒激光的能量，提高了能量利用率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、设计透镜相位图，所述透镜相位图是透镜相位因子的相位分布图；

步骤二、在空气等离子体产生太赫兹波的光路系统上加载透镜相位图，产生等离子体细丝，辐射太赫兹波；

所述步骤一中，所述设计透镜相位图的步骤包括：

a、调节透镜相位图的相位分布，利用空气等离子体产生太赫兹波的光路系统产生太赫兹波；

b、研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系；

c、设定预期产生的太赫兹波的频谱，计算产生该太赫兹波的两个等离子体之间的间距；

d、计算透镜相位图的等效焦距f₁；

e、设计透镜相位图。

2.根据权利要求1所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述两个等离子体细丝是由一束泵浦光经过所述透镜相位图，产生的串行的两个等离子体细丝。

3.根据权利要求2所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述步骤一中，所述透镜相位图用于调制所述泵浦光的波前相位分布，使所述泵浦光包含具有两种不同波前相位分布的第一泵浦光和第二泵浦光。

4.根据权利要求1所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述设定预期产生的太赫兹波的频谱，设定所述太赫兹波的频谱的波谷位置对应的频率。

5.根据权利要求1所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系的步骤包括：利用CCD摄像头拍摄所述产生的两条等离子体细丝的侧面轮廓分布并以此获取所述等离子体细丝的实际形态分布，包括等离子体细丝的长度、等离子体细丝的直径、等离子体之间的间距。

6.根据权利要求2所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述研究所述产生的太赫兹波的频谱与所述产生的等离子体形态之间的关系的步骤包括：基于切伦科夫理论模型，计算所述产生的太赫兹波的频谱，具体基于公式(3)～(6)

$j_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_0{E}_{Li}{\mathrm{\&omega;}}_{pei}\frac{\mathrm{\&omega;}+2{\mathrm{iv}}_{ei}}{{\mathrm{\&omega;}}^2-{{\mathrm{\&omega;}}_{pei}}^2+{\mathrm{iv}}_{ei}\mathrm{\&omega;}}\&times;\frac{\sin ({\mathrm{\&omega;\&tau;}}_L/2)}{1-{({\mathrm{\&omega;\&tau;}}_L/2\mathrm{\&pi;})}^2}\exp (-\frac{{\mathrm{i\&omega;\&tau;}}_L}{2})---\left(4\right)$

$R_1={\&lsqb;{(d+\frac{L_2-L_1}{2})}^2+{R_2}^2+2R_{2}cos\left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)(d+\frac{L_2-L_1}{2})\&rsqb;}^{1/2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arctan \frac{R_{2}sin\left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)}{R_{2}cos\left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)+d+\frac{L_2-L_1}{2}}---\left(6\right)$

其中，ω表示太赫兹波的圆频率，L_i表示两条等离子体细丝的长度，φ_i＝ωτ_i表示由于飞秒脉冲激光之间的时间延时引起的太赫兹波电场的累积的相位差，τ_i表示第一泵浦光与第二泵浦光之间的时间延时，R_i表示第i条等离子体细丝辐射源到探测设备的距离。θ_i表示两条等离子体细丝分别辐射的太赫兹波的辐射角，k表示太赫兹波的波数，j_i(ω)是与频率相关的电流密度，E_Li＝eω_peiI_oi/2m_eε₀c²ω₀ ²表示等离子体波的振幅，表示等离子体电子振荡频率，ω₀表示飞秒脉冲激光的圆频率，n_ei为第i条等离子体的电子密度，ν_ei表示电子碰撞频率，τ_L表示飞秒脉冲激光的持续时间。

7.根据权利要求6所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述第二泵浦光产生的等离子细丝辐射的太赫兹波的辐射角θ₂的范围为太赫兹波的频率范围为[0,3THz]，太赫兹波的波数k的范围为[0,6.283e⁴/m]。

8.根据权利要求1所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述计算所述透镜相位图的等效焦距的步骤中，计算得到的所述等效焦距范围为400mm～1000mm。

9.根据权利要求2所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法，其特征在于，所述泵浦光采用飞秒脉冲激光。

10.用于实现权利要求1～9所述的空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法的光路系统，其特征在于，所述光路系统包括：

泵浦光生成装置(701)，用于生成泵浦光(Ш)，泵浦光(Ш)用于与空气发生作用，生成太赫兹波(Ⅵ)；

空间光调制器(703)，放置于所述泵浦光(Ш)的传播路径中，加载有透镜相位图，用于调制所述泵浦光(Ш)的波前相位分布，形成具有两种不同波前相位分布的第一泵浦光(Ⅳ)和第二泵浦光(Ⅴ)；

第二透镜(L2)，放置于所述空间光调制器(703)之后，用于对所述第一泵浦光(IV)和所述第二泵浦光(Ⅴ)进行聚焦，以在两个焦点处分别产生等离子体细丝；

探测晶体(704)，用于接受所述太赫兹波(Ⅵ)的照射，所述太赫兹波(Ⅵ)通过电光效应调制所述探测晶体(704)的折射率椭球，使探测晶体(704)携带太赫兹波(Ⅵ)的信息；

探测光生成装置(702)，用于生成探测光(II)，所述探测光(II)用于与所述太赫兹波(Ⅵ)同时照射所述探测晶体(704)，以间接探测到所述太赫兹波(Ⅵ)；

探测设备(705)，放置于所述光路系统的最末端，用于接收所述探测光(II)，通过差分探测的方式采集所述太赫兹波(Ⅵ)的电信号。

11.根据权利要求10所述的光路系统，其特征在于，所述产生的两个等离子体细丝是沿所述泵浦光(Ⅲ)传播方向串行的。

12.根据权利要求10所述的光路系统，其特征在于，所述透镜相位图的等效焦距范围为400mm～1000mm。