CN111010789A - 一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法及装置，本发明的方法利用时间上同步和空间上相互交叉的两束超短脉冲激光对液态物质进行电离产生等离子体光栅，通过增加电子密度、加速电子、太赫兹电场相干叠加来实现太赫兹放大，本发明的装置便于实施等离子体光栅太赫兹放大方法，从而大幅度提升产生的太赫兹强度。

Description

一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法及装置

技术领域

本发明涉及太赫兹检测技术领域，尤其涉及一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法及装置。

背景技术

近年来，随着太赫兹技术的发展，大量研究证明光整流晶体、金属或空气等离子体均是良好的太赫兹源。其中，利用光整流晶体产生太赫兹时，光整流晶体存在一定的损伤阈值，一些金属及其微结构同样存在损伤阈值较低的缺陷，很大程度上限制了高功率太赫兹波的产生。利用激光等离子体也可以产生太赫兹波，超短强场激光在空气中聚焦形成等离子体光丝，在激光传输方向能够接收到锥状辐射的太赫兹脉冲，为了进一步增强太赫兹的强度，在单色场产生的等离子体处加入偏置电场以及引入双色场来达到目的。

近几年研究证实，利用重力驱动的自由流动水膜和容器中的液体电离可产生太赫兹波。与电离空气产生等离子体相比，液态水的电离能(6.5eV)要低得多，但分子密度要高3个数量级，这就意味着在相同的电离体积下可以提供更多的带电粒子。与固体晶体相比，在产生太赫兹过程中避免了相位匹配条件和晶体声子吸收。此外，液体中的击穿并不是永久性的损伤，它可以通过电子-离子复合自然的消除。液体的流动性也可以为下一个脉冲提供一个新的相互作用区域。这些优点使液体成为很有前途的太赫兹源。但是受限于泵浦激光强度、水膜厚度，导致电子运动速度慢以及电子密度不高，进一步导致电离液体产生太赫兹波的强度依然不高。

发明内容

本发明的目的在于提出通过液态物质电离产生太赫兹并利用光场干涉效应制备液态等离子体光栅放大太赫兹辐射的新方法及实现该方法的装置。

为达到上述目的，本发明提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，利用时间上同步和空间上相互交叉的两束超短脉冲激光对液态物质进行电离产生等离子体光栅，通过增加电子密度、加速电子、太赫兹电场相干叠加来实现太赫兹放大。

优选的，包括以下步骤：

步骤1：将超短脉冲激光器输出激光分成两束；

步骤2：两束激光脉冲通过时间延迟进行时间同步，并形成等离子体光栅；

步骤3：将所述等离子体光栅作用液态物质产生太赫兹并放大；

步骤4：探测放大后的太赫兹波。

优选的，在步骤1中，利用分束器实现所述输出激光的分束，所述分束器为空间分束片或者偏振分光棱镜。

优选的，在步骤2中，两束激光脉冲中，一束激光脉冲作为延时可调光束，另一束激光脉冲经过反射镜后与可调光束平行入射聚焦透镜，聚焦于液态物质中电离形成光丝；通过调节所述延时可调光束所经过的延时，通过肉眼观察两束激光交叉区域的等离子体荧光强度，当两束激光同步时，等离子体荧光将得到明显增强，变得十分明亮，且形成等离子体光栅。

优选的，在步骤3中，两束激光作用液态物质，分别发生多光子电离，产生等离子体，从而增加电离的自由电子数，增大自由电子密度；同步后的两束激光干涉形成等离子体光栅，两束激光交叉区域的等离子体密度随着干涉条纹被调制成周期分布，且等离子体光栅的每一根光丝都会辐射出太赫兹波，所有光丝辐射出的太赫兹波相位相同，辐射出的太赫兹波相干叠加，从而达到放大太赫兹辐射目的；而且相干叠加后的总电场进一步增强电子运动速度，增大等离子体电流，进而在一定程度上也增强了太赫兹辐射。

优选的，在步骤4中，放大后的太赫兹波经过离轴抛物面镜收集后，通过硅片或其他滤波片滤出太赫兹波，经过另一个离轴抛物面镜反射后由光电倍增管进行探测。

本发明还提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置，包括超短脉冲激光器、分束片、多片反射镜、空间延迟线、聚焦透镜和水膜；

其中，所述超短脉冲激光器输出激光发射至所述分束片；所述分束片将所述激光分成两束激光，其中一束激光射入所述空间延迟线后通过一面所述反射镜反射至所述聚焦透镜；另一束激光通过多片所述反射镜反射至所述聚焦透镜；两束激光通过所述聚焦透镜聚焦于所述水膜上，得到放大后的太赫兹波。

优选的，还包括一个检测模块，所述检测模块包括两面离轴抛物镜面、硅片和光电倍增管；

放大后的所述太赫兹波通过一面所述离轴抛物镜面反射至所述硅片以滤出太赫兹波；所述太赫兹波经过另一面所述离轴抛物镜面反射至所述光电倍增管实现对所述太赫兹波的探测。

优选的，两束激光平行射入所述聚焦透镜。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：

1、光场相干叠加诱导等离子体光栅突破光场钳制，增大等离子体密度，为太赫兹产生提供更多自由电子，大幅度提升产生的太赫兹强度；

2、光场相干叠加加快自由电子移动速度，增大横向等离子体电流，促进高频太赫兹产生；

3、等离子体光栅中的每一个光丝都会辐射出相位相同的太赫兹波，且多光丝均被束缚在一个直径120μm的通道内，聚焦在一起组成了整个等离子体通道，通道内每一个光丝产生的太赫兹相干叠加，增强太赫兹电场强度；

4、基于全光控制方法相比于晶体或其他光学器件而言无损伤阈值。

附图说明

图1为两束激光以α角非共线电离液态物质产生等离子体光栅示意图；

图2为光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

本发明提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法。

飞秒激光脉冲在空气与液态物质界面发生折射后，通过多光子电离和级联电离使焦点处的水分子电离。在电离区域，由于密度梯度分布，水中的准自由电子受到有质动力，向电子密度较低的区域移动。由于电子的运动速度比激光脉冲的包络线慢，电离等离子体的密度在正向上总是保持不变，所以电子被后向加速，产生一个偶极子，沿着激光传播方向发射太赫兹波。

两束交叉传播的强激光聚焦电离介质产生等离子体光栅。从原理上来讲，这种光栅结构的形成与全息光栅的制作过程相似：当两束强激光在介质中交叉相互干涉时，介质电离产生等离子体，而干涉光场的周期性涨落会对等离子体密度分布起到调制作用，因此在空间形成周期性等离子体光栅。在液态物质中，当两束飞秒激光共同成丝时，通过调节时间延迟线使两个脉冲在空间和时间上互相重叠交叉。当交叉区域的荧光强度最大时，两束飞秒激光脉冲在时间和空间上达到精确同步，此时两光丝交叉干涉从而形成空间等离子体光栅结构。该等离子体光栅打破光丝内部电场钳制，增强光丝内部电场强度，提高等离子体密度，同时进一步加速电子运动速度，从而增强太赫兹辐射。本发明针对现有液态物质产生太赫兹波效率低、强度低的缺点，提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法。

本发明利用时间上同步、空间上相互交叉的两束超短脉冲激光对液态物质进行电离产生等离子体光栅，通过增加电子密度、加速电子、太赫兹电场相干叠加来实现太赫兹放大。如图1所示，假设两束偏振方向相同的相干超短脉冲激光以夹角α非共线传输，且在同一平面内交叉，记两束激光的电场分别为：

其中，电场强度的振幅分别为E₁₀与E₂₀，两束光的波矢分别记为

与

其中

所以在两束光的交叉区域，总电场的叠加为：

那么交叉区域的光强分布为：I_(z，x)＝|E_(z，x)|²。当两束光的强度相同，相位差为0时，两束光束在交叉区域中心最明亮的干涉相长条纹的强度是单束激光中心强度的4倍。由于干涉场在两个激光脉冲峰值重合处最强，在此处绝大多数液态物质被电离，此处的等离子体密度较大。在其他位置，由于相干电场强度较弱，只有部分液态物质被电离，导致等离子体密度相对较低。干涉场的总电离效应为产生太赫兹波提供了更多等离子体，增大了等离子体密度，进而增强了太赫兹辐射。而且，相干叠加后的总电场进一步增强了电子运动速度，增大了等离子体电流，进而在一定程度上也增强了太赫兹辐射，另外电子运动速度的增加会有利于产生高频的太赫兹波。交叉区域的等离子体密度随着干涉条纹被调制成周期分布，且等离子体光栅的每一根光丝都会辐射出太赫兹波，所有光丝辐射出的太赫兹波相位相同，相干叠加后达到了放大太赫兹的目的。

具体实施方式包括以下步骤：

步骤1：将超短脉冲激光器输出激光分成两束；，利用分束器实现所述输出激光的分束，所述分束器为空间分束片或者偏振分光棱镜。

步骤2：两束激光脉冲通过时间延迟进行时间同步，并形成等离子体光栅；选择分束器分束后的一束激光脉冲作为延时可调光束(Beam 1)，另一束激光脉冲(Beam 2)经过反射镜后与可调光束平行入射聚焦透镜，聚焦于液态物质中电离形成光丝。通过调节可调光束所经过的延时，通过肉眼观察两束激光交叉区域的等离子体荧光强度，当两束激光同步时，等离子体荧光将得到明显增强，变得十分明亮，且形成等离子体光栅。

步骤3：将所述等离子体光栅作用液态物质产生太赫兹并放大；两束激光作用液态物质，分别发生多光子电离，产生等离子体，从而增加电离的自由电子数，增大自由电子密度。同步后的两束激光干涉形成等离子体光栅，两束激光交叉区域的等离子体密度随着干涉条纹被调制成周期分布，且等离子体光栅的每一根光丝都会辐射出太赫兹波，所有光丝辐射出的太赫兹波相位相同，辐射出的太赫兹波相干叠加，从而达到放大太赫兹辐射目的。而且相干叠加后的总电场进一步增强电子运动速度，增大等离子体电流，进而在一定程度上也增强了太赫兹辐射。

步骤4：探测放大后的太赫兹波。放大后的太赫兹波经过离轴抛物面镜收集后，通过硅片或其他滤波片滤出太赫兹波，经过另一个离轴抛物面镜反射后由光电倍增管探测，或其他探测方法进行探测。

如图1所示，本发明还提出一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置，包括超短脉冲激光器301、分束片302、多片反射镜303、304、305、306和307、空间延迟线308、聚焦透镜309和水膜310；

将超短脉冲激光器301输出激光利用分束片302实现激光脉冲分束，分束后的两束激光偏振方向相同。选择分束片302分束后的一束激光脉冲作为延时可调光束，记为Beam1，另一束激光记为Beam 2。Beam 1经过空间延迟线308后经反射镜307反射至聚焦透镜309；Beam 2经过反射镜303-306后与Beam 1平行入射至聚焦透镜309。两束激光以夹角α透过透镜后聚焦于水膜310上，发生多光子电离产生等离子体。调节Beam 1所经过的空间延迟线309来完成与Beam 2在时间上的同步。通过观察交叉区域的等离子体荧光强度来判断两束光在时间上是否同步，当两束光同步时等离子体荧光将得到明显增强，变得十分明亮。两束光同步后，在水膜中发生多光子电离，在两束光交叉区域产生等离子体光栅。两束光同样作用液态物质发生多光子电离，产生等离子体，从而增加电离的自由电子数，增大自由电子密度，增强太赫兹辐射。而且，相干叠加后的电场进一步增强了电子运动速度，增大了等离子体电流，进而在一定程度上也增强了太赫兹辐射。此外交叉区域的等离子体密度随着干涉条纹被调制成周期分布，光栅条纹中的每一个光丝都会辐射出相位相同的太赫兹波，且多光丝均被束缚在一个直径～120μm的通道内，聚焦在一起组成了整个等离子体通道，通道内每一个光丝产生的太赫兹相干叠加得到放大后的太赫兹。

其中，所述超短脉冲激光器输出激光发射至所述分束片；所述分束片将所述激光分成两束激光，其中一束激光射入所述空间延迟线后通过一面所述反射镜反射至所述聚焦透镜；另一束激光通过多片所述反射镜反射至所述聚焦透镜；两束激光通过所述聚焦透镜聚焦于所述水膜上，得到放大后的太赫兹波。

在本实施例中，还包括一个检测模块，所述检测模块包括两面离轴抛物镜面311和313、硅片312和光电倍增管314；

放大后的太赫兹波经过离轴抛物面镜311收集后，通过硅片312滤出太赫兹波，经过另一个离轴抛物面镜313反射后被光电倍增管314探测，完成光致水膜等离子体光栅太赫兹放大与探测。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，利用时间上同步和空间上相互交叉的两束超短脉冲激光对液态物质进行电离产生等离子体光栅，通过增加电子密度、加速电子、太赫兹电场相干叠加来实现太赫兹放大。

2.根据权利要求1所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将超短脉冲激光器输出激光分成两束；

步骤2：两束激光脉冲通过时间延迟进行时间同步，并形成等离子体光栅；

步骤3：将所述等离子体光栅作用液态物质产生太赫兹并放大；

步骤4：探测放大后的太赫兹波。

3.根据权利要求2所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，在步骤1中，利用分束器实现所述输出激光的分束，所述分束器为空间分束片或者偏振分光棱镜。

4.根据权利要求2所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，在步骤2中，两束激光脉冲中，一束激光脉冲作为延时可调光束，另一束激光脉冲经过反射镜后与可调光束平行入射聚焦透镜，聚焦于液态物质中电离形成光丝；通过调节所述延时可调光束所经过的延时，通过肉眼观察两束激光交叉区域的等离子体荧光强度，当两束激光同步时，等离子体荧光将得到明显增强，变得十分明亮，且形成等离子体光栅。

5.根据权利要求2所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，在步骤3中，两束激光作用液态物质，分别发生多光子电离，产生等离子体，从而增加电离的自由电子数，增大自由电子密度；同步后的两束激光干涉形成等离子体光栅，两束激光交叉区域的等离子体密度随着干涉条纹被调制成周期分布，且等离子体光栅的每一根光丝都会辐射出太赫兹波，所有光丝辐射出的太赫兹波相位相同，辐射出的太赫兹波相干叠加，从而达到放大太赫兹辐射目的；而且相干叠加后的总电场进一步增强电子运动速度，增大等离子体电流，进而在一定程度上也增强了太赫兹辐射。

6.根据权利要求2所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，在步骤4中，放大后的太赫兹波经过离轴抛物面镜收集后，通过硅片或其他滤波片滤出太赫兹波，经过另一个离轴抛物面镜反射后由光电倍增管进行探测。

7.一种光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置，用于实现如权利要求1-6中任意一项所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大方法，其特征在于，包括超短脉冲激光器、分束片、多片反射镜、空间延迟线、聚焦透镜和水膜；

其中，所述超短脉冲激光器输出激光发射至所述分束片；所述分束片将所述激光分成两束激光，其中一束激光射入所述空间延迟线后通过一面所述反射镜反射至所述聚焦透镜；另一束激光通过多片所述反射镜反射至所述聚焦透镜；两束激光通过所述聚焦透镜聚焦于所述水膜上，得到放大后的太赫兹波。

8.根据权利要求7所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置，其特征在于，还包括一个检测模块，所述检测模块包括两面离轴抛物镜面、硅片和光电倍增管；

放大后的所述太赫兹波通过一面所述离轴抛物镜面反射至所述硅片以滤出太赫兹波；所述太赫兹波经过另一面所述离轴抛物镜面反射至所述光电倍增管实现对所述太赫兹波的探测。

9.根据权利要求7所述的光致液态等离子体光栅太赫兹放大装置，其特征在于，两束激光平行射入所述聚焦透镜。

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