CN110718836A - 一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快光学应用技术领域，具体涉及一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，包括激光发生单元，用于发射出脉冲激光；光丝产生单元，与所述激光发生单元的输出端连接，用于将所述脉冲激光聚集在储存的纳米溶液中，以产生等离子体光丝；纳米气泡产生单元，与所述光丝产生单元连接，用于产生纳米气泡，并向光丝产生单元的纳米溶液中输送纳米气泡，使得纳米气泡与等离子体光丝混合后能够发生膨胀和破裂，并形成冲击波以产生太赫兹波。本发明的太赫兹产生装置能够通过纳米气泡诱导产生太赫兹波，从而能够兼顾太赫兹波的产生效果和生产成本。

Description

一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置

技术领域

本发明涉及超快光学应用技术领域，具体涉及一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置。

背景技术

太赫兹波的波谱范围在微波和红外之间，其波长范围介于0.03mm-3mm之间，对应的频率范围0.1THz-10THz之间，频谱上处于已经被深入研究的微波和中红外波之间。太赫兹具有独特的性质，因为太赫兹可以穿透常见的介质材料，如纸质、皮革、塑料、织物等，使得其在材料学、信息科学、物理学、生物学、医学以及军事等方面均有应用。现有技术中，产生的太赫兹波的谱宽范围仅为0～5 THz，这对物质的检测局限在一个很小的波段，因此，需要一种产生宽谱太赫兹波的装置。

为此，公开号为CN109994917A的中国专利公开了一种宽频强场太赫兹脉冲辐射源产生和探测装置，包括飞秒激光放大器系统、多功能靶室系统、气体控制系统、聚焦系统、倍频晶体电控系统、太赫兹波束转接系统和相干探测系统；飞秒激光经聚焦系统聚焦后穿过倍频晶体形成倍频光，基频光与倍频光在靶室腔体内气体中聚焦产生等离子体太赫兹辐射；该方案中，太赫兹波经过波束转接系统后在探测系统的氮气罩中氮气环境下进行相干探测。该现有方案中，利用飞秒激光产生飞秒光丝，并在气体原子中产生宽谱太赫兹波，且通过补偿气体压强的方式，提高了太赫兹波辐射强度和拓展其频谱范围。

飞秒激光为时间尺度在几飞秒到几百飞秒之间的激光脉冲。飞秒激光在非线性介质中传输时会产生飞秒光丝，飞秒光丝为飞秒激光在介质中产生的一种在时间和空间上都具有特殊属性的等离子体通道。飞秒光丝的芯径大小仅在50～200 μm范围内，飞秒光丝的产生是由于克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应达到动态平衡而引起的非线性现象。

上述现有方案利用飞秒光丝在气体原子中产生太赫兹波，但是气体存在非线性系数和自由电子密度较小的问题，使得需要峰值功率至少10GW的高功率飞秒光源（飞秒激光或亚飞秒激光），才能产生宽谱太赫兹波，而高功率飞秒激光光源成本非常高，这使得上述现有方案很难应用于实际生产。现有技术中还采用在液体中产生太赫兹波的方法，其通过多色激光混频技术实现，而多色激光在产生过程中，需要多个同步光源，或者高损伤阈值的非线性晶体，这使得产生太赫兹波的成本仍然非常高。此外，针对太赫兹波生产成本的问题，现有技术中，还采用半导体天线或光参量转换产生太赫兹的方法，但是该方案产生的太赫兹辐射频率很窄且能量较低（能量只有几个纳焦），其产生太赫兹的效果不好。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种通过纳米气泡诱导产生太赫兹波的太赫兹产生装置，以兼顾太赫兹波的产生效果和生产成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，包括：

激光发生单元，用于发射出脉冲激光；

光丝产生单元，与所述激光发生单元的输出端连接，用于将所述脉冲激光聚集在储存的纳米溶液中，以产生等离子体光丝；

纳米气泡产生单元，与所述光丝产生单元连接，用于产生纳米气泡，并向光丝产生单元的纳米溶液中输送纳米气泡，使得纳米气泡与等离子体光丝混合后能够发生膨胀和破裂，并形成冲击波以产生太赫兹波。

本方案中，首先由激光发生单元发射出脉冲激光；脉冲激光进入光丝产生单元的纳米溶液中，脉冲激光在纳米溶液（202）中的自聚焦效应与形成等离子体的自散焦效应动态平衡时，会形成等离子体光丝；然后纳米气泡产生单元产生纳米气泡，将纳米气泡输送到纳米溶液中，此时，等离子体光丝内部的强场高功率导致多光子-碰撞电离，在直径百微米，长数厘米的柱形区域内，形成上千度的高温区域，高温区域将向周围室温区域的纳米溶液辐射超声波；同时高温区域可将区域内的液体物质气化形成纳米气泡，纳米气泡在不断膨胀的过程中也伴随着超声波产生（纳米气泡产生单元也在产生纳米气泡），同时高温会使形成的纳米气泡膨胀并破裂，从而产生冲击波，冲击波引发的切伦科夫辐射激发太赫兹波。

本方案利用纳米气泡诱导产生太赫兹波，其产生的太赫兹波的频率范围达到了0-15THz，该太赫兹波的能量比用半导体天线产生的太赫兹辐射能量高三个数量级（可达到数百纳焦）能极大的提升太赫兹波的产生效果；此外，本方案在液体（纳米溶液）中构造飞秒光丝，而液体能够产生等离子体光丝的功率比气体中的功率值低三个数量级，这使得我们只需峰值0.2MW的飞秒或亚飞秒激光便能产生所需强度（谱宽）的太赫兹波，使得生产成本降低（简单的国产明勇小型激光器就能完成）。因此，本方案中的太赫兹产生装置能够通过纳米气泡诱导产生太赫兹波，从而能够兼顾太赫兹波的产生效果和生产成本。

优选的，所述太赫兹产生装置还包括：

收集准直单元，与光丝产生单元的输出端连接，用于对光丝产生单元产生的太赫兹波进行准直和收集。

这样，通过收集准直单元，能够对产生的太赫兹波进行准直和收集，使得在收集太赫兹波之前能够对太赫兹波进行整形（准直处理，有利于进一步提升对太赫兹波的产生效果。

优选的，所述收集准直单元包括与光丝产生单元输出端连接的反射准直模块，以及设置于反射准直模块中的过滤模块；所述反射准直模块用于接收并反射光丝产生单元产生的太赫兹波，然后对太赫兹波进行准直和收集；所述过滤模块用于在准直太赫兹波时过滤太赫兹波中的基频光。

这样，首先由过滤模块过滤太赫兹波中的基频光，以收集得到更好的太赫兹波，然后由反射准直模块对太赫兹波进行反射以完成准直处理和收集，若干互相垂直放置的离轴抛物面镜有利于提升准直处理和收集的效果，从而能够提升太赫兹波的产生效果。

优选的，所述激光发生单元包括光源模块，与光源模块的输出端连接的导引发生模块，以及与导引模块的输出端连接的聚焦模块；所述光源模块用于产生脉冲激光并发射到导引发生模块；所述导引发生模块用于将脉冲激光引导到聚焦模块；所述聚焦模块用于对脉冲激光进行聚焦，并将脉冲激光传输到光丝产生单元。

这样，激光发生单元通过光源模块和导引发生模块发射出脉冲激光，并由聚焦模块对脉冲激光进行聚焦，使得能够发射出更好的脉冲激光，有利于辅助产生更好的太赫兹波，能够提升产生太赫兹波的效果。

优选的，所述光丝产生单元包括与激光发生单元输出端连接的接收模块，以及与接收模块的输出端连接的溶液储存模块；所述溶液储存模块中储存有纳米溶液；所述接收模块用于接收激光发生单元传输的脉冲激光并将脉冲激光聚集于溶液储存模块的纳米溶液中。

这样，由溶液储存模块存储纳米溶液，并由接收模块接收脉冲激光并将脉冲激光聚集在溶液储存模块中，以产生等离子体光丝，这有利于后续产生太赫兹波，能够提升太赫兹波的产生效果。

优选的，所述纳米气泡产生单元包括水槽，设置在水槽内且用于产生纳米气泡的纳米气泡机，以及与光丝产生单元连接的输送模块；所述输送模块用于将产生的纳米气泡输送至光丝产生单元的溶纳米溶液中。

这样，由纳米气泡机产生纳米气泡，并由输送模块将纳米气泡输送到纳米溶液中，有利于纳米气泡能够与等离子体光丝混合产生太赫兹波，能够提升太赫兹波的产生效果。

优选的，所述纳米溶液包括基质溶液，以及混合于所述基质溶液中的纳米颗粒。

这样，纳米溶液中的纳米颗粒与等离子体光丝共振增强局域光场，能够提升入射激光的吸收，从而构造更强热区与更强的超声波，进而能够提太赫兹波的产生效果。

优选的，所述基质溶液为水、酒精、丙酮或其他非黏稠溶液。

这样，通过水、酒精、丙酮和其他非黏稠溶液能够很好地辅助产生太赫兹波，有利于提升太赫兹波的产生效果。

优选的，所述纳米颗粒为纳米金属、金属氧化物的纳米颗粒或纳米气泡。

这样，纳米金属、金属氧化物的纳米颗粒和纳米气泡能够很好地辅助产生太赫兹波，有利于提升太赫兹波的产生效果。

优选的，所述纳米气泡的粒径为0-900nm。

这样，粒径0-900nm的纳米气泡能够在破裂过程中激发出太赫兹波，而微米以上量级的气泡对泵浦激光会产生较强的米氏散射，更有利于太赫兹波的产生。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中太赫兹产生装置的结构示意图；

图2为实施例中收集准直单元的结构示意图；

图3为实施例中太赫兹产生装置的工作示意图；

图4为实施例中太赫兹的频谱示意图。

说明书附图中的附图标记包括：激光发生单元100、光源模块101、导引发生模块102、聚焦模块103、光丝产生单元200、接收模块201、溶液储存模块202、纳米气泡产生单元300、纳米气泡机301、水槽302、输送模块303、收集准直单元400、反射准直模块401、过滤模块402。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

本实施例中公开了一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置。

如图1所示：一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，包括：

激光发生单元100，用于发射出脉冲激光。

具体实施过程中，激光发生单元100包括光源模块101，与光源模块101的输出端连接的导引发生模块102，以及与导引模块102的输出端连接的聚焦模块103；所述光源模块101用于产生脉冲激光并发射到导引发生模块102；所述导引发生模块102用于将脉冲激光引导到聚焦模块103；所述聚焦模块103用于对脉冲激光进行聚焦，并将脉冲激光传输到光丝产生单元。本实施例中，光源模块101发射出脉冲激光输出波长为紫外、可见或者红外波段；聚焦模块103由凹透镜和凸透镜组成。具体实施时，光源模块可选用泵浦二极管、增益光纤、光隔离器、WDM、耦合器、饱和吸收模块构成的光纤激光器，其单脉冲能量5μJ以上；导引发生模块可选用实验室或脉冲激光发射领域的导引脉冲激光发生装置。

光丝产生单元200，与所述激光发生单元100的输出端连接，用于将所述脉冲激光聚集在储存的纳米溶液中，以产生等离子体光丝。

具体实施过程中，光丝产生单元200包括与激光发生单元输出端连接的接收模块201，以及与接收模块201的输出端连接的溶液储存模块202；所述溶液储存模块202中储存有纳米溶液；所述接收模块201用于接收激光发生单元传输的脉冲激光并将脉冲激光聚集于溶液储存模块202的纳米溶液中。纳米溶液包括基质溶液，以及混合于所述基质溶液中的纳米颗粒；其中，基质溶液为水、酒精、丙酮或其他非黏稠溶液，纳米颗粒为纳米金属、金属氧化物的纳米颗粒或纳米气泡；本实施例中，基质溶液为水，纳米颗粒纳米气泡，纳米气泡的粒径为0-900nm；溶液储存模块为现有的玻璃容器。具体实施时，接收模块可选用现有的Huepar LR5RG脉冲激光接收器。

纳米气泡产生单元300，与所述光丝产生单元200连接，用于产生纳米气泡，并向光丝产生单元200的纳米溶液中输送纳米气泡，使得纳米气泡与等离子体光丝混合后能够发生膨胀和破裂，并形成冲击波以产生太赫兹波。

具体实施过程中，纳米气泡产生单元300包括水槽302，设置在水槽302内且用于产生纳米气泡的纳米气泡机301，以及与水槽302的输出端连接的输送模块303；所述输送模块303用于将产生的纳米气泡输送至光丝产生单元200的溶纳米溶液中。纳米气泡机301可产生大量100-600nm的气泡，纳米气泡机301在水槽302中产生本实施所用的纳米气泡，并通过输送模块303输送纳米气泡使其与溶纳米溶液中的等离子体光丝进行反应；本实施例中，纳米气泡的粒径为0-900nm；具体实施时，纳米气泡机可选用RWP750纳米气泡发生装置；输送模块可选用现有纳米气泡发生装置上的纳米气泡输送管道。

收集准直单元400，与光丝产生单元200的输出端连接，用于对光丝产生单元200产生的太赫兹波进行准直和收集。

具体实施过程中，收集准直单元400包括与光丝产生单元200输出端连接的反射准直模块401，以及设置于反射准直模块401中的过滤模块402；所述反射准直模块401用于接收并反射光丝产生单元200产生的太赫兹波，然后对太赫兹波进行准直和收集；所述过滤模块402用于在准直太赫兹波时过滤太赫兹波中的基频光。

本实施例中，反射准直模块401包括三块离轴抛物面镜，如图2所示：第一块离轴抛物面镜用于接收并反射光丝产生单元产生的太赫兹波，并以光丝产生单元产生的太赫兹波为入射光，使得入射光和出射光形成九十度的反射；第二离轴抛物面镜用于接收并反射第一块离轴抛物面镜反射的太赫兹波，并以第一块离轴抛物面镜反射的太赫兹波为入射光，使得入射光和出射光形成九十度的反射；第三离轴抛物面镜用于接收并反射第二块离轴抛物面镜反射的太赫兹波，并以第二块离轴抛物面镜反射的太赫兹波为入射光，使得入射光和出射光形成九十度的反射，最终完成太赫兹波的收集；反射准直模块401通过三块离轴抛物面镜完成了太赫兹波的准直和收集。过滤模块402为硅片，用于过滤太赫兹波中的基频光，硅片位于第一块离轴抛物面镜和第二块离轴抛物面镜之间。

如图3所示，本实施例中太赫兹产生装置的工作原理如下：

由激光发生单元100产生的脉冲激光在纳米溶液中聚焦，当脉冲激光在溶液储存模块202的纳米溶液中的自聚焦效应与形成等离子体的自散焦效应动态平衡时，会形成等离子体光丝，等离子体光丝在直径百微米，长数厘米的柱形区域内，形成一道强场区域，区域内温度达上千度。高温会将区域内的液体物质汽化形成纳米气泡(纳米气泡也可由纳米气泡产生单元300产生)，同时高温会使形成的纳米气泡膨胀并破裂，从而产生冲击波，冲击波引发的切伦科夫辐射激发太赫兹辐射；其后，产生的太赫兹波经过离轴抛物面镜反射通过硅片过滤基频光，过滤后的太赫兹辐射再经过两次离轴抛物面镜收集与准直，最终完成太赫兹辐射的收集与整形。

本实施例中，利用1030nm，500fs激光产生了频率范围0-15THz，百纳焦的太赫兹辐射；本实施例获得的太赫兹波频谱如图4所示：其能量比用半导体天线产生的太赫兹 能量高三个数量级，能量转化率最高可达5%，由于在纳米溶液中产生等离子体光丝的功率阈值较低，理论上皮秒或亚飞秒激光便能产生所需强度/谱宽的太赫兹辐射，相较飞秒激光，皮秒或亚飞秒激光生产成本低，简单国产民用小型激光器就能实现。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于，包括：

激光发生单元，用于发射出脉冲激光；

光丝产生单元，与所述激光发生单元的输出端连接，用于将所述脉冲激光聚集在储存的纳米溶液中，以产生等离子体光丝；

纳米气泡产生单元，与所述光丝产生单元连接，用于产生纳米气泡，并向光丝产生单元的纳米溶液中输送纳米气泡，使得纳米气泡与等离子体光丝混合后能够发生膨胀和破裂，并形成冲击波以产生太赫兹波。

2.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于，还包括：

收集准直单元，与光丝产生单元的输出端连接，用于对光丝产生单元产生的太赫兹波进行准直和收集。

3.如权利要求2所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述收集准直单元包括与光丝产生单元输出端连接的反射准直模块，以及设置于反射准直模块中的过滤模块；所述反射准直模块用于接收并反射光丝产生单元产生的太赫兹波，然后对太赫兹波进行准直和收集；所述过滤模块用于在准直太赫兹波时过滤太赫兹波中的基频光。

4.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述激光发生单元包括光源模块，与光源模块的输出端连接的导引发生模块，以及与导引模块的输出端连接的聚焦模块；所述光源模块用于产生脉冲激光并发射到导引发生模块；所述导引发生模块用于将脉冲激光引导到聚焦模块；所述聚焦模块用于对脉冲激光进行聚焦，并将脉冲激光传输到光丝产生单元。

5.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述光丝产生单元包括与激光发生单元输出端连接的接收模块，以及与接收模块的输出端连接的溶液储存模块；所述溶液储存模块中储存有纳米溶液；所述接收模块用于接收激光发生单元传输的脉冲激光并将脉冲激光聚集于溶液储存模块的纳米溶液中。

6.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述纳米气泡产生单元包括水槽，设置在水槽内且用于产生纳米气泡的纳米气泡机，以及与水槽的输出端连接的输送模块；所述输送模块用于将产生的纳米气泡输送至光丝产生单元的溶纳米溶液中。

7.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述纳米溶液包括基质溶液，以及混合于所述基质溶液中的纳米颗粒。

8.如权利要求7所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述基质溶液为水、酒精、丙酮或其他非黏稠溶液。

9.如权利要求7所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述纳米颗粒为纳米金属、金属氧化物的纳米颗粒或纳米气泡。

10.如权利要求1所述的基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置，其特征在于：所述纳米气泡的粒径为0-900nm。

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