CN108054623A - 一种使用“飞行聚焦”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“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统和方法，其中，使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统包括：啁啾信号产生装置，用于产生啁啾激光脉冲；以及“飞行聚焦”装置，利用衍射元器件对啁啾激光脉冲进行聚焦，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统和方法将啁啾激光脉冲和衍射元器件相结合，以控制激光焦点区域内峰值强度的移动速度，以及控制激光光束在聚焦区域的传播，并且传播长度是瑞利长度的许多倍。与现有的利用空气产生太赫兹波方法相比，本发明产生的太赫兹波的强度大大增强，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“飞行聚焦”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激光领域，具体而言，涉及一种将啁啾激光脉冲与衍射元器件相结合使用，以达到控制聚焦区域中激发产生的空气等离子体移动速度的目的进而产生高强度太赫兹波的系统和方法。

背景技术

近几年，随着太赫兹源技术的发展，利用空气产生太赫兹波的方法由于具有无损伤阈值、远距离产生等优点而从诸多太赫兹源技术中脱颖而出，在实际中得到很好的应用。为了获得更加优质的太赫兹波，利用空气产生太赫兹波的系统一直在不断的优化。

太赫兹波的产生主要依赖于等离子体密度梯度或在光丝中产生非稳定的电流，产生效率主要取决于光丝与太赫兹波的相位匹配，对此可参考文献1“Xu,Xie,Jianming,Dai,and,X,-C,Zhang.Coherent Control of THz Wave Generation in Ambient Air[J].Phys.Rev.Lett.,2006,96(075005):7-24”和文献2“K,Y,Kim,J,H,Glownia,A,J,Taylor,and,G,Rodriguez.Terahertz emission from ultrafast ionizing air in symmetry-broken laser fields[J].Optics Express,2007,15(8):4577-4584”。在传统方案中，空气等离子体的长度只能通过等离子体折射和自聚焦来保持平衡，导致长度受到限制且无法与太赫兹辐射进行相位匹配。由于光学频率的限制，将太赫兹波的最大强度制约在10¹⁴W/cm²量级。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用以下技术手段：通过一定的方式使光丝动起来，如此一来，既可以得到更长的高强度等离子体丝又可以满足与太赫兹波的相位匹配。另外，本发明进一步将光丝强度与光丝长度分离开来，以及将光丝移动速度与群速度独立开来(关于“群速度”可参考文献3“P,A,Cherenkov.Visible emission of clean liquids byaction ofγradiation[J].Doklady Akademii Nauk SSSR,1934,2(451)”)，从而得到能够产生更高强度太赫兹波的太赫兹源。

为达到上述目的，本发明提供了一种使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其包括：

啁啾信号产生装置，用于产生啁啾激光脉冲；以及

“飞行聚焦”装置，利用衍射元器件对啁啾激光脉冲进行聚焦，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。

在本发明的一实施例中，使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统还包括：

太赫兹波探测装置，用于探测产生的太赫兹波的强度；或

太赫兹波扫描装置，用于对太赫兹波的空间分布进行扫描。

在本发明的一实施例中，所述啁啾信号产生装置包括依次设置于光路上的激光器、光参量放大器以及啁啾激光脉冲产生器件，所述激光器发射的激光脉冲由所述光参量放大器进行放大，之后再经由所述啁啾激光脉冲产生器件进行调制，以产生啁啾激光脉冲。

在本发明的一实施例中，所述“飞行聚焦”装置包括依次设置于光路上的斩波器、反射镜、衍射元器件以及BBO晶体，啁啾激光脉冲经过所述斩波器后经由所述反射镜进行反射，之后再依次经过所述衍射元器件进行聚焦以及经过所述BBO晶体进行倍频，其中，啁啾激光脉冲中所有频率的激光经过聚焦后的聚焦点位于一条直线上。

在本发明的一实施例中，所述太赫兹波探测装置包括第一离轴抛物面反射镜、第一硅片、第二离轴抛物面反射镜、第一滤波片和第一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第一硅片滤波后投射至所述第二离轴抛物面反射镜，之后再经过所述第一滤波片滤波后进入所述第一太赫兹波强度探测器；

所述太赫兹波扫描装置包括第二硅片、第二滤波片、平移台和第二太赫兹波强度探测器，太赫兹波经过第二硅片、第二滤波片后进入固定在平移台上的第二太赫兹波强度探测器，所述平移台能够于水平面内移动，以探测太赫兹波于空间中的分布。

在本发明的一实施例中，所述激光器为皮秒激光器.

在本发明的一实施例中，所述啁啾激光脉冲产生器件为衍射光栅或棱镜，所述衍射元器件为菲涅尔透镜。

在本发明的一实施例中，所述斩波器的频率为15～20Hz。

在本发明的一实施例中，所述第一太赫兹波强度探测器和所述第二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“飞行聚焦”产生太赫兹波的方法，该方法应用于上述系统中，其包括以下步骤：

S1：利用啁啾信号产生装置产生啁啾激光脉冲；

S2：将所述啁啾激光脉冲通过衍射元器件进行聚焦，并通过一片BBO晶体进行倍频，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。

本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统和方法将啁啾激光脉冲和衍射元器件相结合，以控制激光焦点区域内峰值强度的移动速度，以及控制激光光束在聚焦区域的传播，并且传播长度是瑞利长度的许多倍。与现有的利用空气产生太赫兹波方法相比，本发明产生的太赫兹波的强度(>10¹⁸W/cm²)大大增强，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。

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“飞行聚焦”的原理示意图；

图2a为本发明一实施例的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统的示意图；

图2b为本发明另一实施例的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统的示意图；

图3a为焦点移动范围为4.5mm时，焦点移动速度与正(虚线)负(实线)线性啁啾激光脉冲持续时间之间的关系示意图；

图3b为焦点移动范围为10mm时，焦点移动速度与正(虚线)负(实线)线性啁啾激光脉冲持续时间之间的关系示意图；

图4为使用理想透镜(虚线)和飞行焦点(实线)每个纵向位置(z)处的最小光点尺寸，r是距光轴的距离。

附图标记说明：A-啁啾信号产生装置；B-“飞行聚焦”装置；C-太赫兹波探测装置；1-激光器；2-光参量放大器；3-啁啾激光脉冲产生器件；4-斩波器；5-反射镜；6-衍射元器件；7-BBO晶体；8-第一离轴抛物面反射镜；9-第一硅片；10-第二离轴抛物面反射镜；11-第一滤波片；12-第一太赫兹波强度探测器；13-第二硅片；14-第二滤波片；15-第二太赫兹波强度探测器；16-平移台。

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。

在本发明中，“飞行聚焦”的原理如下：

衍射元器件可以使不同频率的激光对应不同长度的焦距，而啁啾激光脉冲是一种频率随时间周期性变化的激光脉冲，因此，啁啾激光脉冲中不同的频率的激光经过衍射元器件后的焦距也会不同，从而实现光丝的“飞行”。

图1为本发明“飞行聚焦”的原理示意图，如图1所示，一束带宽为Δλ、脉冲长度为T的啁啾激光脉冲经过菲涅尔透镜聚焦后，形成周期运动的等离子体。其中，啁啾激光脉冲的中心波长为λ₀，f₀是中心波长λ₀对应的的焦距，L是焦点沿Z轴方向的移动范围，λ_a、λ_b分别为啁啾激光脉冲的最小波长和最大波长，同时，λ_a、λ_b分别对应焦点沿Z轴方向的最小移动距离和最大移动距离，其中，需要说明的是，此处的“移动”不是真实的“移动”，而是仅表示啁啾激光脉冲中不同的频率的激光对应不同的焦距，并且焦距与激光频率之间的关系为正相关，啁啾激光脉冲不断传播，其中不同频率的激光对应的焦距似乎是在沿Z轴快速“飞行”。

啁啾激光脉冲经过菲涅尔透镜聚焦后的焦点以v_FF(z)＝dz/dt的速度沿Z轴移动。如果啁啾激光脉冲是线性的，则对于衍射透镜的分离是近似线性的，这就意味着，在整个聚焦区域内，焦点移动的速度是恒定的。在这种情况下，我们可以得到一个简单的速度公式：

其中T是啁啾激光脉冲的脉冲持续时间，符号表示啁啾的方向，c代表光速。图3a-图3b显示了正(虚线)负(实线)线性啁啾激光脉冲持续时间与焦点移动速度之间的对应关系。以L为4.5mm为例，当激光脉冲持续时间为T＝300ps下被负啁啾时，焦点以v＝-0.05c的速度对向传播；当激光脉冲持续时间为T＝30ps下被负啁啾时，焦点近乎光速对向传播；将脉冲持续时间减少到20ps时对向传播超光焦点达到v＝3c。将激光器的脉冲持续时间设置为等于光通过聚焦区域的传播时间(T＝L/c＝14.9ps)，则会使得所有频率的激光同时聚焦，产生4.5mm长的线焦点，如图4所示，在不考虑激光诱导成丝的情况下，该焦点区域的长度是f/7光学系统的近似100倍的瑞利长度(Z_R＝0.025mm)。由此公式我们还可以得知，正啁啾可以提供一系列的向前传播的慢光焦点速度。

图2a为本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统的示意图，如图2a所示，本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统包括：

啁啾信号产生装置A，用于产生啁啾激光脉冲；以及

“飞行聚焦”装置B，利用衍射元器件对啁啾激光脉冲进行聚焦，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。其中，衍射元器件例如可以为菲涅尔透镜。

太赫兹波探测装置C，用于探测产生的太赫兹波的强度；

图2a中，啁啾信号产生装置A包括依次设置于光路上的激光器1、光参量放大器2以及啁啾激光脉冲产生器件3，激光器1发射的激光脉冲由光参量放大器2进行放大，之后再经由啁啾激光脉冲产生器件3进行调制，以产生啁啾激光脉冲。其中，激光器1例如可以选用皮秒激光器，啁啾激光脉冲产生器件3例如可以选用衍射光栅或棱镜。

图2a中，“飞行聚焦”装置B包括依次设置于光路上的斩波器4、反射镜5、衍射元器件6以及BBO晶体7，斩波器的频率为15～20Hz，啁啾激光脉冲经过斩波器4后经由反射镜5进行反射，之后再依次经过衍射元器件6进行聚焦以及经过BBO晶体7进行倍频，其中，啁啾激光脉冲中所有频率的激光经过聚焦后的聚焦点位于一条直线上，此一原理已在图1中进行了说明。

图2a中，太赫兹波探测装置C包括第一离轴抛物面反射镜8、第一硅片9、第二离轴抛物面反射镜10、第一滤波片11和第一太赫兹波强度探测器12，第一离轴抛物面反射镜8将太赫兹波汇聚形成一束平行光束，该平行光束经过第一硅片9滤波后投射至第二离轴抛物面反射镜10，之后再经过第一滤波片11滤波后进入第一太赫兹波强度探测器12；

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。我们使用一个中心波长λ₀＝1550nm通过衍射光栅产生带宽为Δλ＝35nm的线性啁啾激光脉冲，然后使用中心焦距为200mm的菲涅尔透镜产生了直径为7μm的焦点，在极限波长之间的纵向间隔为4.5mm。如图3a所示，通过调节脉冲持续时间实现焦点移动速度与太赫兹波的相位匹配

图2b为本发明另一实施例的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统的示意图，如图2b所示，此一实施例与图2a所示的实施例不同之处在于将图2a中的太赫兹波探测装置C替换为太赫兹波扫描装置D，太赫兹波扫描装置D用于对太赫兹波的空间分布进行扫描，如图2b所示，太赫兹波扫描装置D包括第二硅片13、第二滤波片14、平移台16和第二太赫兹波强度探测器15，太赫兹波经过第二硅片13、第二滤波片14后进入固定在平移台16上的第二太赫兹波强度探测器15，平移台16能够于水平面内移动，以探测太赫兹波于空间中的分布。图2b中的其余之处均与图2a相同，在此不予赘述。

图2a与图2b中的第一太赫兹波强度探测器12和第二太赫兹波强度探测器15例如可以为热释电探测器或高莱探测器。

本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的方法应用于图2a、图2b所示的系统中，其包括以下步骤：

S1：利用啁啾信号产生装置产生啁啾激光脉冲；

S2：将啁啾激光脉冲通过衍射元器件进行聚焦，并通过一片BBO晶体进行倍频，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。

本发明中的啁啾激光脉冲为线性啁啾，另外，还可以考虑使用非线性啁啾激光脉冲，以周期性的产生具有加速度的运动焦点，以获得更有意义的物理现象。

由于利用空气产生太赫兹波主要依赖于等离子体密度梯度或在光丝中产生非稳定的电流，因此，在这个思路下，本发明可以在两个方面上对太赫兹波的产生进行增强：

(1)基于等离子体密度梯度对太赫兹波的生成的影响，“飞行聚焦”产生太赫兹波的方法可以得到更长的等离子体丝，延长高强度空气等离子体的作用长度大约一百倍。

(2)“飞行聚焦”产生太赫兹波的方法可以获得比其群速度更快的焦点传播速度。根据切伦科夫辐射理论中确定的角度我们可以通过改变焦点速度来实现对太赫兹波的相位匹配，并且进一步提供一种测量材料在太赫兹波段内折射率的方法。

本发明提供的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统和方法将啁啾激光脉冲和衍射元器件相结合，以控制激光焦点区域内峰值强度的移动速度，以及控制激光光束在聚焦区域的传播，并且传播长度是瑞利长度的许多倍。与现有的利用空气产生太赫兹波方法相比，本发明产生的太赫兹波的强度(>10¹⁸W/cm²)大大增强，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。

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“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，包括：

啁啾信号产生装置，用于产生啁啾激光脉冲；以及

“飞行聚焦”装置，利用衍射元器件对啁啾激光脉冲进行聚焦，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，还包括：

太赫兹波探测装置，用于探测产生的太赫兹波的强度；或

太赫兹波扫描装置，用于对太赫兹波的空间分布进行扫描。

3.根据权利要求1所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述啁啾信号产生装置包括依次设置于光路上的激光器、光参量放大器以及啁啾激光脉冲产生器件，所述激光器发射的激光脉冲由所述光参量放大器进行放大，之后再经由所述啁啾激光脉冲产生器件进行调制，以产生啁啾激光脉冲。

4.根据权利要求1所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述“飞行聚焦”装置包括依次设置于光路上的斩波器、反射镜、衍射元器件以及BBO晶体，啁啾激光脉冲经过所述斩波器后经由所述反射镜进行反射，之后再依次经过所述衍射元器件进行聚焦以及经过所述BBO晶体进行倍频，其中，啁啾激光脉冲中所有频率的激光经过聚焦后的聚焦点位于一条直线上。

5.根据权利要求2所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹波探测装置包括第一离轴抛物面反射镜、第一硅片、第二离轴抛物面反射镜、第一滤波片和第一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第一硅片滤波后投射至所述第二离轴抛物面反射镜，之后再经过所述第一滤波片滤波后进入所述第一太赫兹波强度探测器；

所述太赫兹波扫描装置包括第二硅片、第二滤波片、平移台和第二太赫兹波强度探测器，太赫兹波经过第二硅片、第二滤波片后进入固定在平移台上的第二太赫兹波强度探测器，所述平移台能够于水平面内移动，以探测太赫兹波于空间中的分布。

6.根据权利要求3所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器。

7.根据权利要求1所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述啁啾激光脉冲产生器件为衍射光栅或棱镜，所述衍射元器件为菲涅尔透镜。

8.根据权利要求4所述的使用“飞行聚焦”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。

9.根据权利要求5所述的使用“飞行聚焦”产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述第一太赫兹波强度探测器和所述第二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“飞行聚焦”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：利用啁啾信号产生装置产生啁啾激光脉冲；

S2：将所述啁啾激光脉冲通过衍射元器件进行聚焦，并通过一片BBO晶体进行倍频，以激发产生空气等离子体，进而产生太赫兹波。