CN108322989B - 一种等离子体辐射太赫兹波的装置 - Google Patents

一种等离子体辐射太赫兹波的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体辐射太赫兹波的装置，包括高压电源、高压电极、供气系统、介质管、连接装置、毛细管和磁铁；所述高压电极放置在介质管的中心，并与高压电源连接，介质管内通入工作气体，所述供气系统为放电提供工作气体和测量工作气体压强，所述毛细管放置在磁铁产生的磁场内，并与介质管通过连接装置连通。当电压达到毛细管内工作气体的击穿电压时，毛细管内产生大气压微等离子体，并辐射太赫兹波。本发明解决了现有太赫兹波源存在的激光器设备体积大、成本高等难题。

Description

一种等离子体辐射太赫兹波的装置
技术领域
本发明属于气体放电、等离子体与太赫兹交叉领域，特别涉及了一种等离子体辐射太赫兹波的装置。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz(波长在30μm-3mm)之间的电磁波，处于电子学和光子学的交叉领域，具有不同于其他电磁频谱的特殊性。太赫兹波技术是未来十大革命技术之一。太赫兹波具有能量低、透射性高、频率高和脉冲短(皮秒量级)等特点，在通信、电磁武器、医学成像、无损检测、安全检查等方面应用前景巨大。
太赫兹源是太赫兹技术发展的基石。科学家们基于光学和电子学方法，开发了超短激光脉冲光电导的太赫兹源、太赫兹量子级联激光器、激光诱导等离子体辐射太赫兹、电子自旋产生太赫兹波、半导体量子级联激光器等。以下是几种典型的利用激光器产生太赫兹源的方法：
(1)激光等离子体太赫兹辐射源，见李娜等，“激光等离子体太赫兹辐射源的频率控制”Acta Phys.Sin.Vol.65(2016)，装置如图1所示。氮气分子束在等离子体发生器中产生，喷嘴安装在沿着气流喷射方向(y)的平移台上.。激光器输出飞秒激光脉冲，沿着z方向传播。激光经反射镜分为两束，一部分激光(0.8mJ)经过反射镜、透镜(f＝200mm)、真空腔体窗片和β-硼酸钡(BBO)(I类相位匹配,厚度200μm)晶体后聚焦到氮分子上。激光与氮分子经过聚四氟乙烯片后产生太赫兹波。另一部分激光通过电光采样方法测量太赫兹电场波形。ZnTe和四分之一波片的响应函数修正太赫兹波形。通过调整y的距离(1—4.75mm)可得到峰值频率为0.8THz-1.4THz、等离子体密度为1×1016-3×1016cm-3的太赫兹波。该装置通过调节等离子体介质的密度和长度简单地控制太赫兹光谱的强度和频率，极大的优化了太赫兹的控制系统，但实验中使用的飞秒激光器价格昂贵，整个装置体积大且光路复杂，不易工业应用。
(2)激光诱导空气等离子体产生太赫兹波，见专利(公开号CN106546555A，公开日2017.03.29，申请人首都师范大学)，装置如图2所示。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。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。两个等离子体细丝辐射两个太赫兹波发生干涉叠加。该装置改善了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，但仍然没有解决激光器设备体积大，价格昂贵的问题。
(3)二色激光等离子体产生太赫兹波，见N.V.Vvedenskii etal.“Two-ColorLaser-Plasma Generation of Terahertz Radiation Using a Frequency-Tunable HalfHarmonic of a Femtosecond Pulse”Physical Review Letters.112(2014)，装置如图3所示。激光器发出持续时间为50fs、重复频率为1kHZ、中心波长为800nm的脉冲。该激光脉冲被光学参量放大器分为800nm和1600nm两种脉冲，并经过光谱分光器到达延时光路上。两束脉冲经过延时后到达光谱分光器同一点上。两束脉冲经过球面反射镜诱导等离子体产生太赫兹波。该太赫兹波经过抛物面镜、滤波器、偏光片，并被线柵偏振器分为水平和垂直分量，迈克尔逊干涉仪测量该太赫兹波的水平和垂直分量。该装置可以提高利用较低频率泵浦光的二次谐波，从而提高较低频率泵浦光的太赫兹波辐射效率，而且本装置可以使用焦距精度低的激光源，降低成本。但此装置使用了两套延时系统，使得光路更加复杂，体积更大，且仍然使用了飞秒激光器，成本依然很高。
(4)半导体激光器输出不同波长激光获得太赫兹，见专利(公开号CN103560395A，公开日2014.02.05，申请人北京工业大学)。该发明设计了一种自身可产生两个不同波长的半导体激光器，装置如图4所示。该装置的两个波长分别从不同有源区经过光腔耦合后同步输出，其中每个波长都是单模，每个有源区的发射能量只集中在对应波长内。再生机构隔离两个具有量子阱结构的有源区的光场，使得两个波长独立射出。通过调整压应变量子阱材料与厚度使得激射波长有差别，两个波长经过光子混频后产生太赫兹。该半导体激光器通过两个有源区输出不同波长的激光经过光子混频得到连续可调的太赫兹波，两个有源区通过再生机构连接，高效利用了光子再生，使得能耗降低，实现同步出光，降低了成本。但该装置只能以特定波长发出单色光，每个装置只能产生特定频率的太赫兹波，调制困难，且该装置制造复杂，难以实现工业化。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种等离子体辐射太赫兹波的装置，减小装置体积，降低制造成本，简化光路，同时产生高功率宽变频的太赫兹。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种等离子体辐射太赫兹波的装置，包括高压电源、高压电极、供气系统、介质管、连接装置、毛细管和磁铁；所述高压电极放置在介质管的中心，并与高压电源连接，介质管内通入工作气体，所述供气系统为放电提供工作气体和测量工作气体压强，所述毛细管放置在磁铁产生的磁场内，并与介质管通过连接装置连通。当电压达到毛细管内工作气体的击穿电压时，毛细管内产生大气压微等离子体，并辐射太赫兹波。
基于上述技术方案的优选方案，该装置的供气系统包括气瓶、气体导管和气压计，气瓶内装有工作气体，气体导管的一端伸入介质管，另一端通过气压计与气瓶相连，气压计测量工作气体的气压；所述述工作气体为单质气体或多种单质气体的混合物。
基于上述技术方案的优选方案，在介质管靠近毛细管的一端连接有机玻璃管，有机玻璃管的一端与介质管连通，另一端与介质管靠近毛细管的一端平齐，有机玻璃管外壁上设有地电极，地电极与大地相连；
基于上述技术方案的优选方案，所述地电极为环状，材料采用导电金属箔，地电极的宽度为1～10mm，地电极右端与介质管的管口距离d1为1～10mm，所述高压电极右端与介质管的管口距离d2为1～10mm。。
基于上述技术方案的优选方案，产生的太赫兹波的频率和强度通过调节毛细管的管径、高压电源的参数或者磁铁产生的磁场强度来改变。
基于上述技术方案的优选方案，所述高压电极为单个呈针状或棒状，电极的材质为铜、铝或不锈钢。
基于上述技术方案的优选方案，所述连接装置为密封胶、密封管或玻璃转换接头。
基于上述技术方案的优选方案，所述磁铁产生的磁场为恒定、脉冲或交变磁场，大气压微等离子体区域的磁场强度为0.1～500T。
基于上述技术方案的优选方案，所述介质管的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或者氧化铝陶瓷。
基于上述技术方案的优选方案，所述毛细管的内径范围为1～100μm，外径范围为50～2000μm，长度为5mm-100mm,毛细管的材质为石英或玻璃。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明的工作原理是利用气体放电产生高密度的微等离子体，带电粒子在电场和磁场作用下，辐射出太赫兹波。本发明在μm量级的长管内，获得电子密度为1015-1017cm-3、等离子体头部电场为MV/cm量级的微等离子体，该微等离子体源与激光诱导等离子体参数相近，无需激光器，降低了装置的成本，减小了体积。通过调节等离子体源的参数及外部磁场强度可调节带电粒子的加速度、回旋频率和振荡频率，从而调节辐射电磁波的频率，解决了太赫兹波调控困难及光路复杂的问题。
附图说明
图1为激光等离子体太赫兹辐射源的频率控制装置示意图；
图2为空气等离子体产生太赫兹波的频谱调制方法及光路系统装置示意图；
图3为Two-Color Laser-Plasma Generation of Terahertz Radiation Using aFrequency-Tunable Half Harmonic of a Femtosecond Pulse论文中的装置示意图；
图4为半导体太赫兹波光调制器的装置示意图；
图5为本发明实施例1的结构示意图；
图6为本发明实施例2的结构示意图；
图7为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图5所示，包括高压电源、针灸针、气瓶、气压计、石英管、铜箔地电极、密封胶、毛细管、磁铁、凸透镜和太赫兹探测器。直径为0.3mm的针灸针作为高压电极与高压电源相连接，形成回路。氦气通过气压计通入到石英管内，气压计读数为0.008Mpa。针灸针放置在石英管内，毛细管通过密封胶与石英管右端相连。针灸针右端与石英管的管口距离d2为2mm。石英管的内径为0.35mm、外径为8mm，毛细管是内径为10μm、外径为80μm的玻璃管。宽度为3mm的铜箔粘贴在石英管外壁上，铜箔右端与介质管管口距离d1为5mm。铜箔作为地电极，与大地相连。高压电源是幅值为0～30kV、频率为2kHz的交流电源。当加入幅值为15kV的电压，在玻璃毛细管内可产生稳定的等离子体。该等离子体放置在2.5T的恒定磁场内。凸透镜将等离子体射流的辐射信号聚集到太赫兹探测器上，太赫兹探测器可检测到频率为0.86THz的太赫兹波。
实施例2
如图6所示,包括高压电源、针灸针、气瓶、气压计、石英管、有机玻璃管、磁铁、毛细管、凸透镜和太赫兹探测器。直径为0.25mm的针灸针与高压电源相连接，形成回路。氦气通过气压计通入到石英管内，气压计读数为0.006Mpa。针灸针放置在石英管内，毛细管通过密封胶与石英管右端相连。针灸针右端与石英管的管口距离d2为2mm。石英管的内径为0.3mm、外径为6mm，毛细管是内径为5μm、外径为100μm的玻璃管。在石英管的右端连接了长度为10mm的有机玻璃管，有机玻璃管的右端和石英管右端平齐，有机玻璃管的内径为10mm，外径为12mm。宽度为3mm的铜箔粘贴在有机玻璃管外壁上，铜箔右端与石英管管口距离为1mm。铜箔作为地电极，与大地相连。高压电源是幅值为0～30kV、频率为10kHz的交流电源。当加入幅值为15kV的电压，在玻璃毛细管内可产生稳定的等离子体。该等离子体射流放置在2.5T的恒定磁场内。凸透镜将等离子体射流的辐射信号聚集到太赫兹探测器上，太赫兹探测器可检测到太赫兹波。
实施例3
如图7所示，包括高压电源、气瓶、气压计、针灸针、石英管、密封胶、磁铁、毛细管、凸透镜和太赫兹探测器。直径为0.3mm的针灸针与高压电源相连接，形成回路。氦气通过气压计通入到石英管内，气压计读数为0.008Mpa。针灸针放置在石英管内，毛细管通过密封胶与石英管右端相连。针灸针右端与石英管的管口距离d2为2mm。石英管的内径为0.35mm、外径为8mm，毛细管是内径为10μm、外径为80μm的玻璃管。高压电源是幅值为0～30kV、频率为2kHz的交流电源。当加入幅值为20kV的电压，在玻璃毛细管内可产生稳定的等离子体射流。该等离子体射流放置在2.5T的恒定磁场内。凸透镜将等离子体射流的辐射信号聚集到太赫兹探测器上，太赫兹探测器可检测到太赫兹波。
磁化高密度微等离子体是实现太赫兹辐射的关键环节。利用气体放电产生高密度的微等离子体。其中，带电粒子不仅在高场强作用下加速运动，而且在外加恒定强磁场作用下会发生周期性的回旋运动，其回旋频率取决于磁场强度。等离子体还具有集体运动性质，带电粒子会形成周期性的振荡，即等离子体振荡，其振荡频率取决于带电粒子密度。伴随带电粒子的加速、回旋和振荡，等离子体可辐射出相应频率的电磁波。不同磁场强度和磁化方向影响微等离子体的放电特性、电子密度和电子温度。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：包括高压电源、高压电极、供气系统、介质管、连接装置、毛细管和磁铁；所述高压电极放置在介质管的中心，并与高压电源连接，介质管内通入工作气体，所述供气系统为放电提供工作气体和测量工作气体压强，所述毛细管放置在磁铁产生的磁场内，并与介质管通过连接装置连通；当电压达到毛细管内工作气体的击穿电压时，毛细管内产生大气压微等离子体，并辐射太赫兹波；在介质管靠近毛细管的一端与一有机玻璃管的一端连接，有机玻璃管的另一端与介质管靠近毛细管的一端平齐，有机玻璃管外壁上设有地电极，地电极与大地相连；大气压微等离子体区域的磁场为2.5T的恒定磁场。
2.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：该装置的供气系统包括气瓶、气体导管和气压计，气瓶内装有工作气体，气体导管的一端伸入介质管，另一端通过气压计与气瓶相连，气压计测量工作气体的气压；所述工作气体为单质气体或多种单质气体的混合物。
3.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：所述地电极为环状，材料采用导电金属箔，地电极的宽度为1~10mm，地电极右端与介质管的管口距离d1为1~10mm，所述高压电极右端与介质管的管口距离d2为1~10mm。
4.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：所述高压电极为单个呈针状或棒状，电极的材质为铜、铝或不锈钢。
5.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：所述连接装置为密封胶、密封管或玻璃转换接头。
6.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：所述介质管的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或者氧化铝陶瓷。
7.根据权利要求1所述等离子体辐射太赫兹波的装置，其特征在于：所述毛细管的内径范围为1～100μm，外径范围为50～2000μm，长度为5mm-100mm,毛细管的材质为石英或玻璃。
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