CN107591666A - 一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法，其中，该使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统包括：特殊光束产生装置，用于产生特殊光束；太赫兹波产生装置，包括相互平行的一透镜和一BBO晶体，特殊光束依次垂直透射透镜和BBO晶体后产生太赫兹波。与高斯光束相比，本发明中的特殊光束在经过透镜聚焦后形成的等离子体会产生相应变化，从而使得能量利用率更高，产生的太赫兹波能量更强。本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统结构简单、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同种类的特殊光束以及不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。

Description

一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波技术和特殊光束领域，具体而言，涉及一种使用特殊飞秒激光光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统和方法。

背景技术

近几年，随着空间光调制技术的成熟，特殊光束领域迅速发展。由于特殊光束具有不同于高斯光束的物理特性，使得特殊光束在光摄、成像、表面等离子体等领域应用广泛。

将超短激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹波的技术，近年来引起了人们的广泛关注，该方法可在远处(可在几公里远)产生太赫兹波，应用前景十分美好。尽管这种产生太赫兹波的方法具有很多优点，但是，由于这种方式产生太赫兹波的能量利用效率比较低，太赫兹波产生机理并没有完全解释清楚，无法满足人们需求，人们迫切的想找到能够提高太赫兹波的能量利用效率的方法。为此，科研工作者们在此方向上做了很多工作，通过改变激光的波长、使用双色场、外加偏置电场、磁场等诸多方法以增强太赫兹波的产生效率，但是，目前还不存在使用特殊光束增强太赫兹波的产生效率的技术。

发明内容

本发明提供一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法，利用特殊飞秒激光光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波，并能够提高太赫兹波的能量利用效率。

为达到上述目的，本发明提供了一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其包括：

特殊光束产生装置，用于产生特殊光束；

太赫兹波产生装置，包括相互平行的一透镜和一BBO晶体，所述特殊光束依次垂直透射所述透镜和所述BBO晶体后产生太赫兹波。

在本发明的一实施例中，所述特殊光束产生装置包括依次设置于光路上的激光器、光参量放大器、斩波器、反射镜组、扩束镜和光束变化装置，所述激光器发射一高斯光束，所述高斯光束经过所述光参量放大器后变为偏振方向为竖直方向的高斯光束，偏振方向为竖直方向的高斯光束经过斩波器之后再依次所述反射镜组变为偏振方向为水平方向的高斯光束，偏振方向为水平方向的高斯光束经过所述扩束镜扩束后以小角度入射至所述光束变化装置，所述光束变化装置对入射光束进行调制后输出特殊光束。

在本发明的一个实施例中，所述特殊光束为零阶贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、一维艾里光束、二维艾里光束、圆形艾里光束、方形艾里光束、涡旋光束、余弦光束、Mathieu光束或抛物线光束。

在本发明的一个实施例中，使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统还包括一太赫兹波探测装置，其用于探测所述太赫兹波的强度，包括第一离轴抛物面反射镜、硅片、第二离轴抛物面反射镜、滤波片和太赫兹波强度探测器，第一离轴抛物面反射镜将太赫兹波汇聚形成一束平行光束，该平行光束经过所述硅片滤波后投射至所述第二离轴抛物面反射镜，之后再经过所述滤波片滤波后入射至所述太赫兹波强度探测器。

在本发明的一个实施例中，所述光束变化装置为相位型空间光调制器，其中预先加载有相息图，以对入射光束进行调制后输出特殊光束，或者所述光束变化装置为液晶相位板。

在本发明的一个实施例中，所述激光器为飞秒激光放大器。

在本发明的一个实施例中，所述斩波器的频率为15～20Hz。

在本发明的一个实施例中，所述透镜的材质为石英，所述反射镜为金属镜。

在本发明的一个实施例中，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。

本发明还提供了一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的方法，该方法应用于上述使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统中，其包括以下步骤：

S1：产生一束特殊光束；

S2：将所述特殊光束依次垂直投射至相互平行的一透镜和一BBO晶体，产生一太赫兹波。

本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法利用特殊飞秒激光光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波，并能够增强太赫兹波的产生效率，有益技术效果如下：

(1)与高斯光束相比，本发明中的特殊光束在经过透镜聚焦后形成的等离子体会产生相应变化，从而使得能量利用率更高，产生的太赫兹波能量更强。例如：

贝塞尔光束、艾里光束、余弦光束、Mathieu光束和抛物线光束都属于无衍射光束，其中，贝塞尔光束对应圆柱坐标系下的无衍射光束解，艾里光束对应傍轴衍射方程的一个无衍射特解，余弦光束对应直角坐标系下的无衍射光束解，Mathieu光束对应椭圆坐标系下的无衍射光束解，抛物线光束对应抛物柱坐标系下的无衍射光束解。由于它们具有无衍射特性，所以会使得光束聚焦形成的等离子体较长，从而可以将系统的能量利用率提升一个量级。

涡旋光束是一种空心光束，中心光强几乎为零，聚焦后可以产生特殊结构的空气等离子体。

本发明还可以根据需要的等离子体形态计算出加载在相位型空间光调制器上的相息图或者制作出相应的液晶相位板，从而获得所需形态的空气等离子体。不同种类的特殊光束聚焦空气形成的等离子体能量密度、形态以及空间结构都会产生相应的变化，从而本发明可以进一步用于研究等离子体形状对产生太赫兹波的影响。

(2)本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统结构简单、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同种类的特殊光束以及不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。

(3)本发明产生的太赫兹波能量较强、光谱较宽，利于光谱测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统的示意图；

图2a～图2d为利用相位型空间光调制器产生特殊光束时预先加载的相息图的示意图；

图3为利用相位型空间光调制器产生艾里光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波与高斯激光光束激发空气等离子体产生太赫兹波二者之间的太赫兹波强度比值随波长变化的示意图；

图4为反射镜组的示意图。

附图标记说明：A-特殊光束产生装置；B-太赫兹波产生装置；C-太赫兹波探测装置；1-激光器；2-光参量放大器；3-斩波器；4-反射镜组；5-扩束镜；6-光束变化装置；7-反射镜；8-透镜；9-BBO晶体；10-第一离轴抛物面反射镜；11-硅片；12-第二离轴抛物面反射镜；13-滤波片；14-太赫兹波强度探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法，通过改变光束类型来提高太赫兹波产生效率。相比一般实验中使用的高斯激光光束，特殊光束聚焦空气形成的等离子体能量密度、形态以及空间结构都会产生相应的变化。另外，本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的方法应用于使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统中，于以下实施例中将具体说明。

图1为本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统的示意图，如图1所示，其包括特殊光束产生装置A和太赫兹波产生装置B。

特殊光束产生装置A用于产生特殊光束，本实施例中的特殊光束可以为零阶贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、一维艾里光束、二维艾里光束、圆形艾里光束、方形艾里光束、涡旋光束、余弦光束、Mathieu光束或抛物线光束。

如图1所示，特殊光束产生装置A包括依次设置于光路上的激光器1、光参量放大器2、斩波器3、反射镜组4、扩束镜5和光束变化装置6，激光器1发射一高斯光束，高斯光束经过光参量放大器2后变为偏振方向为竖直方向的高斯光束，此时波长也发生了变化，偏振方向为竖直方向的高斯光束经过斩波器3之后再经过反射镜组4变为偏振方向为水平方向的高斯光束，偏振方向为水平方向的高斯光束经过扩束镜5扩束(准直扩束)后以小角度入射至光束变化装置6，光束变化装置6对入射光束进行调制后输出特殊光束。其中，光束变化装置6可以为相位型空间光调制器，其中预先加载有相息图，以对入射光束进行调制后输出特殊光束，或者光束变化装置6为液晶相位板。相位型空间光调制器具有效率高、速度快、相息图制作方便等优点，因此非常适合应用于本发明中。当光束变化装置6为相位型空间光调制器或液晶相位板时，如何得到上述各种特殊光束对于本领域技术人员是已知的，在此不予赘述。另外，凡是可以产生上述特殊光束的特殊光束产生装置均可以应用于本发明中，不以图1中示出的特殊光束产生装置A为限。

于本实施例中，激光器1例如发射出波长为800nm的激光，经过光参量放大器2后波长变为1200～1600nm的激光。在其他实施例中，激光的波长可以根据实际需要进行改变。

图2a～图2d为利用相位型空间光调制器产生特殊光束时预先加载的相息图的示意图，图2a是产生圆形艾里光束所需的相息图，图2b是产生方形艾里光束所需的相息图，图2c是产生零阶贝塞尔光束所需的相息图，图2d是产生一阶涡旋光束所需的相息图。由于特殊光束种类繁多，每种特殊光束通过改变不同参数均可得到不同的相息图，在此不再赘述。

如图1所示，太赫兹波产生装置B包括相互平行的一透镜8和一BBO晶体9，特殊光束依次垂直透射透镜8和BBO晶体9后产生太赫兹波，其中，透镜8对特殊光束进行汇聚，再经过BBO晶体9后激发空气产生等离子体并产生太赫兹波辐射源。

图4为反射镜组的示意图，如图4所示，反射镜组4包括两面金属反射镜M1、M2，入射光是偏振方向为竖直(z轴)的激光，经过一面光轴方向与x方向成45度角的反射镜M1，将激光反射至z方向，后经第二面光轴方向与y轴成45度的反射镜M2，反射后的光束沿y方向传播，偏振方向水平(x轴)。本实施例还可以进一步包括一太赫兹波探测装置C，如图1所示，其用于探测太赫兹波的强度，包括第一离轴抛物面反射镜10、硅片11、第二离轴抛物面反射镜12、滤波片13和太赫兹波强度探测器14，第一离轴抛物面反射镜10将太赫兹波汇聚形成一平行光束，该平行光束经过硅片11滤波后投射至第二离轴抛物面反射镜12，之后再经过滤波片13滤波后入射至太赫兹波强度探测器14。

于本实施例中，激光器1例如可以为飞秒激光放大器，斩波器3的频率可以为15～20Hz，透镜8的材质较佳为石英，这是由于石英对在800nm和1200-1600nm波长范围内的激光的透过率较高，能够提高太赫兹辐射源辐射出的太赫兹波的强度。反射镜组4和反射镜7较佳为金属镜，以提高对该波长范围激光的反射能力。太赫兹波强度探测器14可以为热释电探测器或高莱探测器。

图3为利用相位型空间光调制器产生艾里光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波与高斯激光光束激发空气等离子体产生太赫兹波二者之间的太赫兹波强度比值随波长变化的示意图。由于BBO晶体的位置和入射角度对产生太赫兹波的影响很大，为了排除BBO晶体9位置对最终结果的影响，以波长为1550nm、100mW功率的飞秒激光产生太赫兹波为标准，调节BBO晶体9距离焦点的位置和激光入射角度，找到能量最大的太赫兹波信号，并将BBO晶体9位置固定，上述两种情况下太赫兹波强度比值可以达到3以上，这是现有的利用高斯光束产生太赫兹波系统所不能达到的，因此，本发明填补了特殊光束产生高强度太赫兹波产生领域的技术空白，具有较强的科研及实际应用价值。

本发明还提供了一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的方法，该方法应用于图1所示的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统中，其包括以下步骤：

S1：产生一特殊光束；

产生特殊光束可以使用图1所示的特殊光束产生装置A，相应的，产生的特殊光束可以为以上所述的任一种。

S2：将特殊光束依次垂直投射至相互平行的一透镜8和一BBO晶体9，产生一太赫兹波。

本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统和方法利用特殊飞秒激光光束激发空气等离子体产生高强度太赫兹波，并能够增强太赫兹波的产生效率，有益技术效果如下：

(1)与高斯光束相比，本发明中的特殊光束在经过透镜聚焦后形成的等离子体会产生相应变化，从而使得能量利用率更高，产生的太赫兹波能量更强。例如：

贝塞尔光束、艾里光束、余弦光束、Mathieu光束和抛物线光束都属于无衍射光束，其中，贝塞尔光束对应圆柱坐标系下的无衍射光束解，艾里光束对应傍轴衍射方程的一个无衍射特解，余弦光束对应直角坐标系下的无衍射光束解，Mathieu光束对应椭圆坐标系下的无衍射光束解，抛物线光束对应抛物柱坐标系下的无衍射光束解。由于它们具有无衍射特性，所以会使得光束聚焦形成的等离子体较长，从而可以将系统的能量利用率提升一个量级；

涡旋光束是一种空心光束，中心光强几乎为零，聚焦后可以产生特殊结构的空气等离子体。

本发明还可以根据需要的等离子体形态计算出加载在相位型空间光调制器上的相息图或者制作出相应的液晶相位板，从而获得所需形态的空气等离子体。不同种类的特殊光束聚焦空气形成的等离子体能量密度、形态以及空间结构都会产生相应的变化，从而本发明可以进一步用于研究等离子体形状对产生太赫兹波的影响。

(2)本发明提供的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统结构简单、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同种类的特殊光束以及不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。

(3)本发明产生的太赫兹波能量较强、光谱较宽，利于光谱测量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，包括：

特殊光束产生装置，用于产生特殊光束；

太赫兹波产生装置，包括相互平行的一透镜和一BBO晶体，所述特殊光束依次垂直透射所述透镜和所述BBO晶体后产生太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述特殊光束产生装置包括依次设置于光路上的激光器、光参量放大器、斩波器、反射镜组、扩束镜和光束变化装置，所述激光器发射一束高斯光束，所述高斯光束经过所述光参量放大器后变为偏振方向为竖直方向的高斯光束，偏振方向为竖直方向的高斯光束经过斩波器之后再经过所述反射镜组变为偏振方向为水平方向的高斯光束，偏振方向为水平方向的高斯光束经过所述扩束镜扩束后以小角度入射至所述光束变化装置，所述光束变化装置对入射光束进行调制后输出特殊光束。

3.根据权利要求1所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述特殊光束为零阶贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、一维艾里光束、二维艾里光束、圆形艾里光束、方形艾里光束、涡旋光束、余弦光束、Mathieu光束或抛物线光束。

4.根据权利要求1所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，还包括一太赫兹波探测装置，其用于探测所述太赫兹波的强度，包括第一离轴抛物面反射镜、硅片、第二离轴抛物面反射镜、滤波片和太赫兹波强度探测器，第一离轴抛物面反射镜将太赫兹波汇聚形成一束平行光束，该平行光束经过所述硅片滤波后投射至所述第二离轴抛物面反射镜，之后再经过所述滤波片滤波后入射至所述太赫兹波强度探测器。

5.根据权利要求2所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述光束变化装置为相位型空间光调制器，其中预先加载有相息图，以对入射光束进行调制后输出特殊光束，或者所述光束变化装置为液晶相位板。

6.根据权利要求2所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述激光器为飞秒激光放大器。

7.根据权利要求2所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述斩波器的频率为15～20Hz。

8.根据权利要求2所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述透镜的材质为石英，所述反射镜为金属镜。

9.根据权利要求4所述的使用特殊激光光束产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。

10.一种使用特殊激光光束产生太赫兹波的方法，该方法应用于权利要求1～9中任一项所述的系统中，其特征在于，包括以下步骤：

S1：产生一束特殊光束；

S2：将所述特殊光束依次垂直投射至相互平行的一透镜和一BBO晶体，产生一太赫兹波。