CN111009817A - 基于电磁感应热激发的太赫兹激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，所述太赫兹激光器包括高频波源、共振激发装置、电源与工作参数显示系统；所述高频波源连接共振激发装置，所述电源分别为所述共振激发装置与工作参数显示系统供电；当所述太赫兹激光器工作时，所述高频波源驱动所述电磁感应线圈组、电磁感应加热板加热工作物质，产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射通过谐振腔协同形成太赫兹激光。本发明输出的太赫兹激光相干性好、方向性好，其体积小、能量转换效率高，在太赫兹科学研究和技术应用领域具有广泛应用价值。

Description

基于电磁感应热激发的太赫兹激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及基于电磁感应热激发的太赫兹激光器。

背景技术

目前，太赫兹技术在通信、传感、遥感、安保、毒品检测、医疗、雷达等方面均有广泛的应用，近年来颇受重视。所有的太赫兹技术和应用都离不开太赫兹源。目前有基于电子技术频率上转换、真空技术自由电子器件、半导体技术量子级联器件和光学下转换技术的太赫兹源，但都存在效率极低、成本过高的问题。且大部分太赫兹源的体积较大，因而如何制造效率高、成本低、体积小的太赫兹源及太赫兹激光器成为目前急需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其输出的太赫兹激光相干性好、方向性好，其体积小、能量转换效率高，在太赫兹科学研究和技术应用领域具有广泛应用价值。

本发明采用如下技术方案实现：

基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，所述太赫兹激光器包括高频波源、共振激发装置、电源与工作参数显示系统；所述高频波源连接共振激发装置，所述电源分别为所述共振激发装置与工作参数显示系统供电；

所述共振激发装置包括工作物质腔、工作物质、电磁感应线圈组、电磁感应发热板与高反射镜、部分反射镜，所述工作物质设置于工作物质腔内；所述电磁感应发热板与所述工作物质接触，所述电磁感应线圈组与所述电磁感应发热板接触；所述高反射镜位于所述工作物质腔的第一侧面处，所述部分反射镜位于所述工作物质腔的第二侧面处，所述高反射镜与所述部分反射镜同轴设置并构成谐振腔；

当所述太赫兹激光器工作时，所述高频波源驱动所述电磁感应线圈组、电磁感应加热板加热工作物质，产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射通过谐振腔协同形成太赫兹激光。

进一步地，所述高频波源的输出频率位于5KHz~500KHz波段。

进一步地，所述工作物质腔的外表面包裹有一热绝缘层。

进一步地，所述工作物质腔还包括对太赫兹辐射透明的透明窗，所述透明窗位于所述工作物质腔的两侧面且位于所述高反射镜或部分反射镜的靠近所述工作物质腔的一侧；位于所述工作物质腔第一侧面的所述透明窗和高反射镜或用所述高反射镜代替，并设置于所述工作物质腔第一侧面的透明窗位置；位于所述工作物质腔第二侧面的所述透明窗与部分反射镜或用部分反射镜代替，并设置于所述工作物质腔第二侧面的透明窗位置。

进一步地，所述高反射镜和部分反射镜为金属反射镜或介质反射镜；所述高反射镜对太赫兹波的反射率为90%~100%，透射率为0；所述部分反射镜对太赫兹波的反射率为90%~99%，透射率为1%~10%；所述高反射镜和部分反射镜的工作频率为0.1THz~30THz。

进一步地，还包括频率控制系统，所述频率控制系统与所述高反射镜或部分反射镜连接，以控制所述高反射镜与部分反射镜之间的距离，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的频率。

进一步地，所述工作物质腔的腔壁上设有温度传感器，所述温度传感器与所述频率控制系统连接。

进一步地，还包括功率控制系统，所述功率控制系统与高频波源连接，调节所述高频波源的工作功率，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的功率。

进一步地，所述电磁感应加热板为铁合金板或铝合金板。

进一步地，所述工作物质为有机物和/或无机物。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，利用电磁感应热激发工作物质分子原子或晶格，使分子原子或晶格的振动和转动等运动加速而产生自发辐射，再利用谐振腔的协同作用实现太赫兹激光输出，从而实现了高效率、小体积和低成本。本发明提供的太赫兹激光器体积小且能量转换效率高，其所形成的太赫兹激光相干性好且方向性好，具有广泛应用价值。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器的示意图；

图2为本发明一实施例提供的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器的结构示意图；

图中：1、高频波源；2、共振激发装置；3、电磁感应线圈组；4、电磁感应加热板；5、工作物质腔；6、温度传感器；7、透明窗；8、高反射镜；9、部分反射镜；10、工作物质；11、热绝缘层；12、频率控制系统；13、功率控制系统；14、工作参数显示系统；15、电源。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1、2所示，本发明提供了一种基于互补矩形脉冲双频光激发的太赫兹激光器，所述太赫兹激光器包括高频波源1、共振激发装置2、电源15与工作参数显示系统14；所述高频波源1连接共振激发装置2。所述共振激发装置包括工作物质腔5、电磁感应线圈组3、电磁感应加热板4与高反射镜8、部分反射镜9，所述工作物质腔5内设有工作物质10；所述电磁感应加热板4与所述工作物质10接触，所述电磁感应线圈组3与所述电磁感应加热板4接触。

当所述太赫兹激光器工作时，所述高频波源1驱动所述电磁感应线圈组3、电磁感应加热板4加热工作物质10，产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射通过谐振腔协同形成太赫兹激光，所形成的太赫兹激光的频率在0.1MHz~30THz之间。

由于共振激发装置2需要电源15供给能量或供电，设置电源15为其供电。此外，电源15还为太赫兹激光器中其他需要供电的部件供电。在本实施例中，电源15可以为交流或者直流电源，电压在6-380V之间。当太赫兹激光器工作时，工作参数显示系统14用于显示各个工作参数，比如输出的太赫兹激光的频率和功率、电源15电压、电磁感应加热板4的功率与工作物质腔5中的温度等。

高频波源1连接所述共振激发装置2。在本实施例中，高频波源1的输出频率位于5KHz~500KHz波段。如图2所示，所述共振激发装置包括工作物质腔5、电磁感应线圈组3、电磁感应加热板4与高反射镜8、部分反射镜9，所述工作物质腔5内设有工作物质10；所述电磁感应加热板4与所述工作物质10接触，所述电磁感应线圈组3与所述电磁感应加热板4紧密接触。电磁感应加热板4可选用铁合金板、铝合金板，也可选用不锈钢板，在此不做限定。所述高反射镜8位于所述工作物质腔5的第一侧面处，所述部分反射镜9位于所述工作物质腔5的第二侧面处，所述高反射镜8与所述部分反射镜9同轴设置并构成谐振腔；位于所述工作物质腔5第一侧面的所述透明窗7和高反射镜8或用所述高反射镜8代替，并设置于所述工作物质腔5第一侧面的透明窗位置；位于所述工作物质腔5第二侧面的所述透明窗7与部分反射镜9或用部分反射镜9代替，并设置于所述工作物质腔5第二侧面的透明窗位置。

工作物质腔5的腔内设有工作物质10，且工作物质腔5的外表面设置有热绝缘层11，减少热量的扩散影响产生太赫兹辐射的效率。高频波源1驱动电池感应线圈组，而电磁感应线圈则和电磁感应加热板4加热工作物质腔5内的工作物质10，产生太赫兹自发辐射。

所述工作物质腔5还设置有对太赫兹辐射透明的透明窗7，所述透明窗7分别位于所述工作物质腔5的两侧面且位于所述高反射镜8或部分反射镜9的靠近所述工作物质腔5的一侧。高反射镜8和部分反射镜9的工作频率均在0.1~30THz之间，且均为金属反射镜或介质反射镜。但是，高反射镜8对太赫兹波的反射率为90%~100%，透射率为0，而部分反射镜9对太赫兹波的反射率为90%~99%，透射率为1%~10%。因此，由于高反射镜8完全对太赫兹波不透射，而部分反射镜9能透射出部分太赫兹波，因此共振激发装置形成的太赫兹激光从部分反射镜9传播传输出来，即形成的太赫兹光方向性好。所述高反射镜8和部分反射镜9之间为工作物质10，高反射镜和部分反射镜之间的等效光学距离为工作太赫兹波的半波长的整数倍。

工作物质10可为有机物/或无机物，即可以为无机物也可以为有机物，还可以是有机物与无机物的混合物。工作物质可以为气体或者液体，比如可以是空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气或二氧化硫、酮类、醛类、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、烃类混合物、乙烯、丙烯、丁烯、烯类混合物、氟里昂、饱和碳氢化合物、不饱和碳氢化合物、或共沸混合物等。

本太赫兹激发器工作时，工作物质10受到电磁感应热的激发，其中的分子原子和晶格的运动加速，由于分子原子中带有电荷，因此分子原子核晶格的加速运动必然伴随有电荷的加速运动，而根据经典物理学理论，电荷的加速运动会产生自发辐射，根据量子力学理论，分子原子跃迁到高能量的能级上后会自发地向低能级的跃迁而产生自发辐射。这种自发辐射的频率取决于跃迁前后能级的能量差。设无电磁感应热激发前分子处于能级E ₁态（该态为分子的固有能级态或虚拟能级态，对应温度T ₁），受电磁感应热激发后达到能级E ₂态（虚拟能级态或固有能级态，对应温度T ₂），分子由能级E ₂（虚拟能级态或固有能级态）自发跃迁到E ₃态（固有能级态，对应温度T ₃），则自发辐射的频率ν为

其中h为普朗克常量。工作物质10的温度提升量增大时，可以有更大的跃迁能量差，即可以设温度提高导致的分子内能增加量的一部分在分子从激发态向下能级跃迁时转化为自发辐射能：

其中q为转化系数，i为分子的自由度，k为玻尔兹曼常数， = T ₂- T ₃。由式（1）和（2）得出：

即，调节电磁感应加热板4的功率可以调节自发辐射的频率。同时，电磁感应功率增大时，会激发更多的分子跃迁，从而也会使太赫兹输出激光的功率增加。即，增加电磁感应加热功率，将同时增加太赫兹输出激光的频率和功率。

自发辐射一般具有一个比较宽的频带，其中只有与太赫兹谐振腔共振频率一致的频率的自发辐射才会在太赫兹谐振腔中得到放大而产生太赫兹激光。随着太赫兹激光的产生，大量的分子做对应太赫兹输出激光频率的自发辐射，从而使得其它的自发辐射频率相对得到抑制，从而会提高高频波源1功率到太赫兹激光功率的转化效率。这是传统的依赖黑体辐射获得太赫兹波所无法做到的。

举个例子， 用单原子气体作为工作物质10，对于单原子分子：i=3，取q=0.75，根据式（3），取∆T=4.267K，可得ν=0.100024THz；取∆T=8.533K,可得ν=0.200024THz；取∆T=12.8K，可得ν=0.300048THz；取∆T=17.067K，可得ν=0.400072THz；取∆T=21.333K，可得ν=0.500071THz；取∆T=25.6K，可得ν=0.600096THz；取∆T=29.867K，可得ν=0.700119THz；取∆T=34.133K，可得ν=0.800120THz；取∆T=38.4K，可得ν=0.900144THz；取∆T=42.667K，可得ν=1.000168THz；取∆T=85.333K，可得ν=2.00031THz；取∆T=128K，可得ν=3.00048THz；取∆T=170.667K，可得ν=4.000648THz；取∆T=213.333K，可得ν=5.000782THz；取∆T=426.667K，可得ν=10.000168THz。

举个例子， 使用双原子气体，如氮气，对于双原子分子：i=5，取q=0.75，根据式（3），取∆T=2.573K，可得ν=0.100524THz；取∆T=12.8K，可得ν=0.500079THz；取∆T=25.6K，可得ν=1.000157THz；取∆T=51.2K，可得ν=2.000315THz；取∆T=128K，可得ν=5.00079THz；取∆T=256K，可得ν=10.0016THz；取∆T=512K，可得ν=20.0032THz；取∆T=768K，可得ν=30.0048THz。

再举个例子， 使用多原子气体，对于多原子气体i=6，取q=0.6，根据式（3），取∆T=2.667K，可得ν=0.1000285THz；取∆T=13.333K，可得ν=0.5000665THz；取∆T=26.667K，可得ν=1.000173THz；取∆T=53.333K，可得ν=2.000307THz；取∆T=80K，可得ν=3.00048THz；取∆T=106.667K，可得ν=4.000653THz；取∆T=133.333K，可得ν=5.000777THz；取∆T=266.667K，可得ν=10.001613THz；取∆T=533.334K，可得ν=20.003226THz；取∆T=800.001K，可得ν=30.004839THz。

以下考虑使用弹性分子（如大的有机分子）的情况。

举个例子，使用甲烷，化学式CH₄，i=15, 取q=0.375，根据式（3），取∆T=1.707K，可得ν=0.1000355THz；取∆T=8.533K，可得ν=0.500060THz；取∆T=17.067K，可得ν=1.0001795THz；取∆T=34.133K，可得ν=2.00030THz；取∆T=51.2K，可得ν=3.00048THz；取∆T=68.267K，可得ν=4.000660THz；取∆T=85.333K，可得ν=5.000770THz；取∆T=170.667K，可得ν=10.00160THz；取∆T=341.333K，可得ν=20.003140THz；取∆T=512K，可得ν=30.00474THz。

再举个例子，使用乙烷（ethane），其分子式C₂H₆，i=24，取q=0.3，根据式（3），取∆T=1.333K，可得ν=0.099991THz；取∆T=6.667K，可得ν=0.500104THz；取∆T=13.333K，可得ν=1.000135THz；取∆T=26.667K，可得ν=2.000345THz；取∆T=40K，可得ν=3.00048THz；取∆T=53.333K，可得ν=4.000615THz；取∆T=66.667K，可得ν=5.000815THz；取∆T=133.333K，可得ν=10.00157THz；取∆T=266.667K，可得ν=20.00323THz；取∆T=400K，可得ν=30.0048THz。

在上述装置中，由于分子自发辐射频率是宽带的，太赫兹输出激光的频率主要由谐振腔的共振频率决定。因此调节太赫兹反射镜之间的距离即可以调节太赫兹输出激光的频率。

频率控制系统12与所述高反射镜8或部分反射镜9连接，以控制所述高反射镜8与部分反射镜9之间的距离，控制高反射镜8和部分反射镜9之间的等效光学距离，调整太赫兹激光的频率。更具体地，频率控制系统12可以跟高反射镜8或部分反射镜9的任一个连接，也可以同时与所述高反射镜8、部分反射镜9连接。在本实施例中，频率控制系统12与所述部分反射镜9连接，便于控制其与高反射镜8之间的距离。在工作物质腔5的内壁还设置有温度传感器6，用于检测工作物质10的温度。温度传感器6连接所述频率控制系统12，具体来说，温度传感器6所测的温度可以在参数显示系统上显示，用户可以知道工作物质腔5的温度情况，以做出合理的处理措施。

本太赫兹激光器还包括功率控制系统13，所述功率控制系统13与高频波源1连接。由上述论述可知，调节高频波源1的功率可以调节自发辐射的粒子数，从而可以调节激发光源发射功率，也就可以调节太赫兹输出激光的功率。

本发明提供了一种基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，利用电磁感应热激发工作物质10分子原子或晶格，使分子原子或晶格的振动和转动等运动加速而产生自发辐射，再利用谐振腔的协同作用实现太赫兹激光输出，从而实现了高效率、小体积和低成本。本发明提供的太赫兹激光器体积小且能量转换效率高，其所形成的太赫兹激光相干性好且方向性好，具有广泛应用价值。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述太赫兹激光器包括高频波源、共振激发装置、电源与工作参数显示系统；所述高频波源连接共振激发装置，所述电源分别为所述共振激发装置与工作参数显示系统供电；

所述共振激发装置包括工作物质腔、工作物质、电磁感应线圈组、电磁感应发热板与高反射镜、部分反射镜，所述工作物质设置于工作物质腔内；所述电磁感应发热板与所述工作物质接触，所述电磁感应线圈组与所述电磁感应发热板接触；所述高反射镜位于所述工作物质腔的第一侧面处，所述部分反射镜位于所述工作物质腔的第二侧面处，所述高反射镜与所述部分反射镜同轴设置并构成谐振腔；

当所述太赫兹激光器工作时，所述高频波源驱动所述电磁感应线圈组、电磁感应加热板加热工作物质，产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射通过谐振腔协同形成太赫兹激光。

2.如权利要求1所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述高频波源的输出频率位于5KHz~500KHz波段。

3.如权利要求1所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述工作物质腔的外表面包裹有一热绝缘层。

4.如权利要求1所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述工作物质腔还包括对太赫兹辐射透明的透明窗，所述透明窗位于所述工作物质腔的两侧面且位于所述高反射镜或部分反射镜的靠近所述工作物质腔的一侧；位于所述工作物质腔第一侧面的所述透明窗和高反射镜或用所述高反射镜代替，并设置于所述工作物质腔第一侧面的透明窗位置；位于所述工作物质腔第二侧面的所述透明窗与部分反射镜或用部分反射镜代替，并设置于所述工作物质第二侧面的透明窗位置。

5.如权利要求4所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述高反射镜和部分反射镜为金属反射镜或介质反射镜；所述高反射镜对太赫兹波的反射率为90%~100%，透射率为0；所述部分反射镜对太赫兹波的反射率为90%~99%，透射率为1%~10%；所述高反射镜和部分反射镜的工作频率为0.1THz~30THz。

6.如权利要求1~5任一所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，还包括频率控制系统，所述频率控制系统与所述高反射镜或部分反射镜连接，以控制所述高反射镜与部分反射镜之间的距离，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的频率。

7.如权利要求6所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述工作物质腔的腔壁上设有温度传感器，所述温度传感器与所述频率控制系统连接。

8.如权利要求1所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，还包括功率控制系统，所述功率控制系统与高频波源连接，调节所述高频波源的工作功率，以调节所述太赫兹激光器形成的太赫兹激光的功率。

9.如权利要求1所述的基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述电磁感应加热板为铁合金板或铝合金板。

10.如权利要求1所述基于电磁感应热激发的太赫兹激光器，其特征在于，所述工作物质为有机物和/或无机物。

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