CN111509530A - 一种利用激光脉冲聚焦于液滴激发thz的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，属于太赫兹激发技术领域。本发明由泵浦模块、聚焦模块、液滴速度控制系统三部分组成。泵浦模块发射具有一定能量的飞秒激光，通过聚焦模块将激光聚焦于焦点处，同时液滴速度控制系统按照设定的速度将液滴置于焦点处，聚焦后的飞秒激光与液滴相互作用，通过多光子电离或者级联电离产生准自由电子，准自由电子在激光场中通过逆韧致辐射获得足够的动能，动能超过电离能的电子相互碰撞得到新的电子。介质的快速电离致使等离子体的形成并辐射出太赫兹波。本发明与现有技术相比，主要解决了扁平液体—空气界面处的全内反射过多等现象，降低液体对激发出THz波的吸收率，增加THz的激发效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用液体激发太赫兹波的装置，特别是一种利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz(1THz＝1012Hz)，或波长在30μm～3mm范围内的一段电磁波谱区域。THz具有诸多优点，在化工、国防、医学、电子信息等领域发挥着重要作用，并在军事与安全领域具有广泛的应用前景。
太赫兹的产生是太赫兹波技术发展的一个关键环节。从固体、气体和等离子体中产生的太赫兹波已经被广泛研究了近三十年。由于空气等离子体较低的光能转换效率以及固体材料的损伤阈值等问题，限制了空气等离子体和光电晶体产生强太赫兹波的进一步发展。
液体既可以提供更多的光与分子相互作用，流动的液体也可以避免材料的损伤阈值问题，因此成为未来强场太赫兹激发源的一个重要的目标对象。然而，由于在太赫兹的频段内水的强吸收特性，液体源中太赫兹波的产生研究明显缺乏。
随着科技的发展，基于液态激发宽带太赫兹波已经得到了实验的初步验证。部分科研人员创造性的利用自由流动的水膜，应用飞秒脉冲激光激发微米量级的水膜，产生了强于空气等离子激发的宽带太赫兹波。然而，当高能量激光脉冲聚焦在其上时，薄水膜将被破坏，且THz信号沿着侧向方向被毫米宽的水强烈吸收。除了水的吸收，平坦的水—空气界面处的全内反射将显着降低THz信号。因此，强烈的THz波产生受到抑制。
基于水膜激发的种种限制，科研人员利用水线代替液体薄膜作为太赫兹发射器来增强THz信号。与水膜的平坦水—空气界面相比，水线的弯曲界面有助于减少THz波的全内反射，因此可以耦合出更多的太赫兹辐射。然而，非常薄的水线没有足够的体积用于激光脉冲和水分子之间的相互作用，而非常厚的水线遭受严重的水吸收THz。这两种情况都不能提供强大的太赫兹辐射。
发明内容
本发明基于以上背景技术的分析，提供一种利用液体激发太赫兹波的装置及方法。其相对于水膜和水线激发装置，能够更好地消除扁平液体—空气界面处的全内反射，且液体对激发出的THz吸收更小。
本发明的技术方案是：一种利用液体激发太赫兹波的装置及方法，所述方法的具体步骤如下：
一种利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，包括泵浦模块，用于产生飞秒量级超短脉冲激光的装置；聚焦模块，用于将原始飞秒激光光束聚焦于焦点处；液滴速度控制系统，用于调整液滴下落速度及频率。所述泵浦模块的出射光路共线于聚焦模块，所述聚焦模块位于泵浦模块与液滴速度控制系统中间，在所述焦点处形成一个能够辐射出高强度宽带太赫兹波的太赫兹波辐射源。
进一步地，所述泵浦模块为激光器，用以发射波长为800nm的激光。
所述聚焦模块为一块透镜或者多块透镜的组合,其中心点与泵浦模块出射光路共线；所述透镜是平凸透镜,所述平凸透镜的材质是N-BK7或H-K9L，其焦距为50mm、100mm、150mm或200mm，透镜不镀膜或在650nm-1050nm波段镀增透膜。
所述液滴速度控制系统，包括液体储运模块、控制模块、信号处理系统。所述信号处理系统连接至控制模块，形成均匀、稳定下落的液滴。所述液体储运模块确保下落的液滴垂直于聚焦模块的出射光路并经过该焦点。
进一步地，所述液体储运模块包括液体、储液池、第一连接管、水泵、第二连接管、喷头。所述储液池中的液体可为纯水，也可为添加纳米颗粒的溶液。所述第一连接管连接在所述储液池与所述水泵之间，所述水泵用于抽取所述液体池中的液体并对其进行增压，所述第二连接管连接在所述水泵与所述喷头之间；所述第二连接管连接在所述水泵与所述喷头之间；所述第一连接管、所述第二连接管均为孔径介于3mm～10mm之间的乳胶软管。所述喷头为铝合金材质，出水直径200-300μm。
进一步地，所述控制模块包括步进电机、丝杆、螺丝、弹簧、执行机构和调速夹。所述步进电机采用型号为四相绕组，步进角为1.8°的步进电机。所述执行机构依靠弹簧本身的弹性控制调速夹压住输液管。所述步进电机带动丝杆调节输液管的松紧,以达到控制输液速度的目的。
进一步地，所述信号处理系统包括PC机、单片机。所述单片机一端连接至PC机，用于获取PC机设定的液滴流速等信息；另外一端连接步进电机，用以控制步进电机转速。
本发明的有益效果是：本发明由泵浦模块、聚焦模块、液滴速度控制系统三部分组成。泵浦模块发射具有一定能量的飞秒激光，通过聚焦模块将激光聚焦于焦点处，同时液滴速度控制系统按照设定的速度将液滴置于焦点处，聚焦后的飞秒激光与液滴相互作用，通过多光子电离或者级联电离产生准自由电子，准自由电子在激光场中通过逆韧致辐射获得足够的动能，动能超过电离能的电子相互碰撞得到新的电子。介质的快速电离致使等离子体的形成并辐射出太赫兹波。本发明与现有技术相比，主要解决了扁平液体—空气界面处的全内反射过多等现象，降低液体对激发出THz波的吸收率，增加THz的激发效率。
附图说明
图1是本发明详细流程图；
图2是本发明装置结构示意图；
图3是控制模块结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如附图所示，一种利用液体激发太赫兹波的装置及方法，具体步骤如下：
本实施例中所述泵浦模块为商用钦宝石飞秒激光放大器，中心波长800nm,脉宽50fs,单脉冲能量最高10mJ,重复频率为1KHz。所述聚焦模块为一块透镜或者多块透镜的组合，具体地，所述的聚焦模块优选为材质是H-K9L的平凸透镜，其焦距为200mm，透镜在800nm波段镀增透膜。激光器所输出的波长为800nm的飞秒激光共线经聚焦模块聚焦后，在焦点处电离液滴。
所述信号处理系统包括PC机、单片机。所述单片机一端连接至PC机，用于获取PC机设定的液滴流速等信息，另外一端连接步进电机，用以控制步进电机转速。具体地，PC机设定液滴流速为5滴/秒；单片机从PC上获取指令进行处理，并向步进电机下达指令。
所述控制模块包括步进电机、丝杆、螺丝、弹簧、执行机构和调速夹。具体地，本实施例中所述步进电机采用型号为四相绕组，步进角为1.8°的步进电机。所述执行机构依靠弹簧本身的弹性控制调速夹压住输液管。所述步进电机获取单片机指令后转动，带动丝杆调节输液管的松紧,达到控制输液速度为5滴/秒的目的。
所述液体储运模块包括液体、储液池、第一连接管、水泵、第二连接管、喷头。具体地，本实施案例所述储液池中的液体为纯水；所述第一连接管连接在所述储液池与所述水泵之间，所述水泵用于抽取所述液体池中的液体并对其进行增压，所述第二连接管连接在所述水泵与所述喷头之间，所述第二连接管连接在所述水泵与所述喷头之间；所述第一连接管、所述第二连接管均为孔径为于5mm的乳胶软管。所述喷头为铝合金材质，出水直径为300μm。
泵浦模块发射具有一定能量的飞秒激光，通过聚焦模块将激光聚焦于焦点处，同时液滴速度控制系统按照设定的速度将液滴置于焦点处，聚焦后的飞秒激光与液滴相互作用，通过多光子电离或者级联电离产生准自由电子，准自由电子在激光场中通过逆韧致辐射获得足够的动能，动能超过电离能的电子相互碰撞得到新的电子。介质的快速电离致使等离子体的形成并辐射出太赫兹波。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，包括泵浦模块，用于产生飞秒量级超短脉冲激光的装置；聚焦模块，用于将原始飞秒激光光束聚焦于焦点处；液滴速度控制系统，用于调整液滴下落速度及频率。所述泵浦模块的出射光路共线于聚焦模块，所述聚焦模块位于泵浦模块与液滴速度控制系统中间，在所述焦点处形成一个能够辐射出高强度宽带太赫兹波的太赫兹波辐射源。
2.根据权利要求1所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述泵浦模块(1)为激光器，用以发射波长为800nm的激光。
3.根据权利要求1所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述聚焦模块(2)为一块透镜或者多块透镜的组合,其中心点与泵浦模块出射光路共线；所述透镜是平凸透镜,所述平凸球面透镜的的材质是N-BK7或H-K9L，其焦距为50mm、100mm、150mm或200mm，透镜不镀膜或在650nm-1050nm波段镀增透膜。
4.根据权利要求1所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述液滴速度控制系统，包括液体储运模块、控制模块、信号处理系统。所述信号处理系统连接至控制模块，形成均匀、稳定下落的液滴。所述液体储运模块确保下落的液滴垂直于聚焦模块的出射光路并经过该焦点。
5.根据权利要求4所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述液体储运模块包括液体(9)、储液池(8)、第一连接管(7)、水泵(6)、第二连接管(5)、喷头(3)。所述储液池(8)中的液体(9)可为纯水，也可为添加纳米颗粒的溶液。所述第一连接管(7)连接在所述储液池与所述水泵之间，所述水泵用于抽取所述液体池中的液体并对其进行增压，所述第二连接管连接在所述水泵与所述喷头之间；所述第一连接管、所述第二连接管均为孔径介于3mm～10mm之间的乳胶软管。所述喷头(6)为铝合金材质，出水直径为200-300μm。
6.根据权利要求4所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述控制模块包括步进电机(12)、丝杆(13)、螺丝(14)、弹簧(16)、执行机构(15)和调速夹(4)。所述步进电机(12)采用型号为四相绕组，步进角为1.8°的步进电机。所述执行机构依靠弹簧本身的弹性控制调速夹压住输液管。所述步进电机带动丝杆调节输液管的松紧,以达到控制输液速度的目的。
7.根据权利要求4所述的利用激光脉冲聚焦于液滴激发太赫兹波的装置及方法，其特征在于：所述信号处理系统包括PC机(10)、单片机(11)。所述单片机(11)一端连接至PC机(10)，用于获取PC机(10)设定的液滴流速等信息，另外一端连接步进电机(12)，用以控制步进电机(12)转速。
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Cited By (1)
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| CN111431014A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-07-17 | 昆明理工大学 | 一种利用激光脉冲聚焦于微液滴激发太赫兹波的装置及其方法 |
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2020
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