CN107528195A - 飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，包括飞秒激光光源、分束镜、离轴抛物面镜、金属丝、THz收集装置、THz探测装置、合束镜、延迟线装置和展宽装置。其中，利用飞秒激光驱动金属丝产生THz辐射是本发明的核心。本发明利用激光与金属丝作用形成的径向电场束缚该作用过程中产生的电子，使电子围绕金属丝表面螺旋运动产生THz辐射，提高了泵浦光能量转换效率；同时改变金属丝直径能够调谐输出THz的频率。另一方面，金属丝作为THz波导能够导引辐射的THz波，提高了THz辐射的输出效率。本发明具有结构简单、成本低、能量转化效率高、可调谐的优点。

Description

飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置

技术领域

本发明涉及强激光物理领域，具体涉及一种飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置。

背景技术

THz波通常定义为频率范围在0.1THz-10THz的电磁波。由于其携带光子能量低，无电离辐射，对非极性材料透明并且许多生物大分子和极性气体分子在THz波段内具有特征吸收线的特性，THz在生物医学、安检反恐、品质检测、信息通讯以及材料科学等领域中有着广泛的应用前景。目前较成熟的THz辐射源主要基于半导体、光电晶体或非线性光整流效应，然而这些THz辐射源都受到材料损坏阈值的限制。另一方面，当前最高峰值功率的THz辐射由自由电子激光所产生，然而自由电子激光中所利用的电子束源受限于直线加速器和周期波荡器等大型装置，其产生的THz辐射频率、强度、波形也难以控制。因此为了进一步推广THz的应用，需要寻求新的THz辐射源。

激光等离子体相互作用应用于产生THz辐射可以不受材料损伤阈值的限制，同时也不需要借助大型加速装置。因此，基于激光等离子体相互作用的THz辐射源相比传统的THz拥有巨大优势。但是，在目前激光等离子体相互作用产生THz的实验中，THz的能量转换效率通常只有0.1％左右，因而浪费了大量的激光能量，极大限制了THz在实际中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有THz辐射源受到材料损伤阈值限制或体积造价庞大，或能量转换效率极低的问题，提出一种飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置。该装置克服了现有技术中存在的缺陷，具有结构简单，成本低，能量转换效率高以及可调谐的优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于，该装置包括：飞秒激光光源、分束镜、离轴抛物面镜、金属丝、THz收集装置、THz探测装置、合束镜、延迟线装置、展宽装置和计算机；

所述的飞秒激光光源为中心波长为800nm、线偏振的准直飞秒激光脉冲；

所述的计算机分别与所述的延迟线装置和THz探测装置相连；

所述飞秒激光光源出射的激光通过所述的分束镜分成两路光，第一路为泵浦光，第二路为探测光；泵浦光经所述的离轴抛物面镜反射聚焦到金属丝的表面，反射光与金属丝轴向的夹角大于30度，小于60度；从所述金属丝表面发射的THz辐射经过所述THz收集装置入射到所述的合束镜；探测光依次经延迟线装置延迟和展宽装置展宽后入射到所述的合束镜；

经合束镜合束后入射到所述的THz探测装置，该THz探测装置将测量得到的THz的时域脉冲波形传输至计算机，经计算机进行傅里叶变化后得到THz频谱。

所述的THz收集装置用于收集辐射的THz波提供给THz探测装置，所述的THz探测装置包含探测晶体和锁相放大器，所述的延迟线装置用于使泵浦光光路与探测光光路的光程相等，配合THz探测装置进行THz光谱的测量；所述的展宽装置用于展宽探测光脉宽，配合THz探测装置记录THz时域波形。

所述的探测晶体选用锑化锌晶体；

所述的计算机连接所述的锁相放大器，用于处理测量信号，同时控制延迟线装置。

所述的金属丝为长度长于2毫米，直径10-100微米的金属细丝。

所述的金属丝封装在真空环境下，真空环境压强小于1帕斯卡。

所述的泵浦光的激光峰值强度大于10¹⁶W/cm²，脉宽小于100飞秒。

所述的展宽装置展宽后的探测光脉宽应大于THz信号的脉宽。

所述的THz探测装置还可以是THz功率计。

本发明的工作过程如下：

金属丝封装于真空环境下；飞秒激光光源发出的激光入射到分束镜上后分成两路光，第一路为泵浦光，第二路为探测光；泵浦光被所述离轴抛物面镜聚焦到金属丝的表面后，将金属丝表面电离成一层等离子体层，一部分电子在激光场中加速并飞离金属丝表面；由于电子的快速剥离将在金属丝表面形成一个径向电场，在径向电场作用下，电子围绕金属丝表面螺旋运动并产生沿金属丝轴向方向传播的THz辐射；THz辐射经THz收集装置收集进入THz探测装置；调整金属丝的直径能够改变电场强度以及电子的螺旋运动轨迹，从而调谐辐射的THz频率；探测光经过展宽装置脉宽展宽至大于THz辐射脉宽与THz信号合束；调节延迟线装置使泵浦光光路与探测光光路的光程相等；经过探测晶体的THz电场将引起探测晶体折射率变化，变化大小取决于THz信号强弱；经过展宽、合束的探测光经过该探测晶体时脉冲偏振将发生变化，通过记录偏振变化从而得到THz辐射的脉冲波形。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明利用等离子体具有高损伤阈值的特性，可以稳定产生MV/m以上强度的THz辐射；

(2)本发明利用的金属丝结构同时也是THz波导，对产生的THz辐射具有导引效果，提高了THz的输出效率；

(3)本发明产生THz的结构简单，成本低，可用于实现小型化、台式的THz辐射源；

(4)本发明的能量转换效率可以达到1％，相比传统的激光等离子体产生THz辐射的能量转换效率提高了10倍；

(5)本发明采用飞秒激光驱动金属丝产生THz辐射，辐射的THz频率受金属丝的直径调制，通过改变金属丝直径可以调谐输出的THz频率。

附图说明

图1为本发明飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置示意图；

图2是本发明一个实施例的通过改变金属丝直径调谐THz辐射的效果图。

具体实施方式

与现有技术激光与气体或平面固体靶作用产生THz辐射不同，本发明是利用飞秒激光驱动金属丝产生THz辐射。

为了便于更进一步地理解本发明，现阐述本发明的基本原理如下。

飞秒激光脉冲与金属丝作用时，金属丝表面电离成等离子体，一部分电子在激光场中能得到有效的加速并离开金属丝表面。此时由于电荷的快速剥离将在金属丝表面形成一个以金属丝表面为中心向外辐射的径向电场。在径向电场的作用下，一部分电子将围绕金属丝做螺旋运动。由于初始时刻电子束尺寸小于THz辐射波长，此过程将得到增强的相干辐射。由于此THz辐射的频率取决于初始时刻电子束的能量以及金属丝表面径向电场的强度，改变激光强度或金属丝的直径能够调谐THz的频率。

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但所给具体实施例只是为了说明本发明技术方案的实质精神，不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置示意图。如图1所示，本发明的THz辐射产生装置，包括：飞秒激光光源1、分束镜2、离轴抛物面镜3、金属丝4、THz收集装置5、THz探测装置12、合束镜6、延迟线装置7、展宽装置8和计算机11；

所述的飞秒激光光源1为中心波长为800nm、线偏振的准直飞秒激光脉冲；

所述的分束镜2是一个薄膜分束镜，所述飞秒激光光源1出射的激光通过所述的分束镜2分成两路光，一束较强的为泵浦光，较弱的为探测光；在泵浦光的光路中设有离轴抛物面镜3，泵浦光经离轴抛物面镜3反射聚焦到金属丝4的表面，反射光与金属丝4的轴向夹角大于30度，小于60度；

从金属丝4表面发射的THz辐射经过THz收集装置5入射到合束镜6；探测光依次经延迟线装置7延迟和展宽装置8展宽后入射到合束镜6；

经合束镜6合束后入射到所述的THz探测装置12，该THz探测装置12将测量得到的THz的时域脉冲波形传输至计算机11，经计算机11进行傅里叶变化后得到THz频谱。

所述的THz收集装置5用于收集辐射的THz波提供给THz探测装置12，所述的THz探测装置12包含探测晶体9和锁相放大器10，所述的延迟线装置7用于使泵浦光光路与探测光光路的光程相等，配合THz探测装置12进行THz光谱的测量；所述的展宽装置7用于展宽探测光脉宽，配合THz探测装置记录THz时域波形。

所述的探测晶体9选用锑化锌晶体；

所述的计算机11连接所述的锁相放大器10，用于处理测量信号，同时控制延迟线装置7。

所述的金属丝4为长度长于2毫米，直径10-100微米的金属细丝。

所述的金属丝4封装在真空环境下，真空环境压强小于1帕斯卡。

所述的泵浦光的激光峰值强度大于10¹⁶W/cm²，脉宽小于100飞秒。

所述的展宽装置8展宽后的探测光脉宽应大于THz信号的脉宽。

所述的THz探测装置12还可以是THz功率计。

较佳地，当泵浦光为能量3毫焦，脉宽30飞秒的脉冲，经离轴抛物面镜反射聚焦的焦斑尺寸约5微米时，金属丝表面的激光峰值功率约10¹⁷W/cm²；当金属丝为直径50微米，与激光作用位置后端长度为1厘米的钨丝，激光入射方向与金属丝轴向夹角为45度时，金属丝表面将产生一个10⁸V/m量级的径向电场，电子围绕金属丝螺旋运动辐射的THz中心频率0.5THz，能量约28微焦，相当于约1％的能量转换率。

当金属丝分别是直径70和90微米，与激光作用位置后端长度1厘米的钨丝，辐射THz中心频率分别是0.12THz和0.35THz。

Claims (9)

1.一种飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于，该装置包括：飞秒激光光源、分束镜、离轴抛物面镜、金属丝、THz收集装置、THz探测装置、合束镜、延迟线装置、展宽装置和计算机；

所述的飞秒激光光源为中心波长为800nm、线偏振的准直飞秒激光脉冲；

所述的计算机分别与所述的延迟线装置和THz探测装置相连；

所述飞秒激光光源出射的激光通过所述的分束镜分成两路光，第一路为泵浦光，第二路为探测光；泵浦光经所述的离轴抛物面镜反射聚焦到金属丝的表面，反射光与金属丝轴向的夹角大于30度，小于60度；从所述金属丝表面发射的THz辐射经过所述THz收集装置入射到所述的合束镜；探测光依次经延迟线装置延迟和展宽装置展宽后入射到所述的合束镜；

经合束镜合束后入射到所述的THz探测装置，该THz探测装置将测量得到的THz的时域脉冲波形传输至计算机，经计算机进行傅里叶变化后得到THz频谱。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于，所述的THz收集装置用于收集辐射的THz波提供给THz探测装置，所述的THz探测装置包含探测晶体和锁相放大器，所述的延迟线装置用于使泵浦光光路与探测光光路的光程相等，配合THz探测装置进行THz光谱的测量；所述的展宽装置用于展宽探测光脉宽，配合THz探测装置记录THz时域波形。

3.根据权利要求2所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于所述的探测晶体选用锑化锌晶体。

4.根据权利要求2所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于，所述的计算机连接所述的锁相放大器，用于处理测量信号，同时控制延迟线装置。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于，所述的金属丝为长度长于2毫米，直径10-100微米的金属细丝。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于所述的金属丝封装在真空环境下，真空环境压强小于1帕斯卡。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于所述的泵浦光的激光峰值强度大于10¹⁶W/cm²，脉宽小于100飞秒。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于所述的展宽装置展宽后的探测光脉宽应大于THz信号的脉宽。

9.根据权利要求1所述的飞秒激光驱动金属丝的THz辐射产生装置，其特征在于所述的THz探测装置还可以是THz功率计。