CN112152048A - 一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，包括超短脉冲激光器（100）及真空靶室系统（101），所述真空靶室系统（101）内设置有超声速喷嘴系统（102）、短焦距离轴抛物面镜（103）、离轴抛物面镜（104）及光路系统，所述超短脉冲激光器（100）连接短焦距离轴抛物面镜（103），短焦距离轴抛物面镜（103）连接超声速喷嘴系统（102），超声速喷嘴系统（102）连接离轴抛物面镜（104），离轴抛物面镜（104）连接光路系统；基于飞秒激光脉冲与超声速喷气靶或气室相互作用的方式产生高功率THz辐射源。

Description

一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统

技术领域

本发明涉及太赫兹光源技术领域，具体地说，是一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统。

背景技术

太赫兹(T射线)光源被认为是下一代光源，应用范围从癌症诊断到材料科学。由于其非电离性质、良好的空间分辨率和穿透数毫米生物组织的能力。在癌症检测方面，T射线是X射线的合适替代。除了生物成像外，强大的T射线作为诊断工具在材料科学中也有许多应用，如超快光谱。通过将大功率T射线聚焦到毫米光斑大小，可以产生GV/m量级的电场。该电场可以用来研究极性分子的结构转变。相关的特斯拉量级瞬态磁场可用于产生磁或自旋激发，并在皮秒时间尺度上跟踪其动力学。目前从大型设施如直线加速器到基于电光晶体的紧凑型光源都可以产生可用的高功T射线源。直线加速器中，相对论性电子通过弯曲磁铁聚束产生峰值功率为MW的太赫兹光束。基于电光晶体的光源使用高重复率激光系统，在非线性晶体中通过光学整流产生T射线。这两种来源各有利弊。例如，基于加速器的T射线源为高峰值功率MW、高重复率源，然而，它们体积大，价格昂贵，因此只能提供相当有限的可获得性。基于光学整流或更经济的紧凑型光源，可以实现与加速器光源能量相当的T射线脉冲，然而，非线性晶体的损伤阈值限制了T射线的场强。等离子体则不存在这种限制。因此，激光等离子体THz光源一直是人们研究的热点课题。事实上，产生T射线的机制多种多样。对于双色激光产生的等离子体丝，T射线能量高达5 µJ，转换效率10^-4。然而，在较高的激光强度下，太赫兹辐射由于强度钳制、低电子密度和辐射的再吸收而趋于饱和。而高功率激光与固体相互作用过程中产生的等离子体没有这样的限制，并且也是一个已知的高场强T射线源，但研究较少。

在先技术[1]：日本宇都宫大学的Yugami等人的原理验证实验证明了在垂直磁化等离子体中，超短、超高功率脉冲激光激发切伦科夫尾流产生辐射(见文章https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.065003)。辐射频率在毫米范围内（高达200千兆赫）。辐射强度与理论所期望的磁场强度成正比。还检测到发射辐射的极化。

在先技术[2]：瑞士查尔默斯理工大学的Yi等人则提出了一种利用高功率激光辐照等离子体波导产生高强度太赫兹(THz)脉冲的方法。当激光脉冲进入等离子体波导时，产生高电荷电子束，并通过横电磁模式加速到100 MeV。当电子束离开等离子体波导时，电子能量的很大一部分通过相干衍射辐射转移到THz辐射。结果表明，在现有的激光装置上，可以产生频率可调的100 mJ级相对论强太赫兹脉冲。

在先技术[3]：法国国立综合理工学院的D’Amico发现一种在空气中产生的THz辐射(见文章https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.235002)，这种发射是以强准直太赫兹光束的形式向前发射的，他们将其归因于电离前沿后产生的以光速运动的空间电荷在尾场中产生的渡越——切伦科夫辐射。它以正常空气为产生介质，只需要一个飞秒激光束，无需精确的对准。更重要的是，太赫兹辐射源可以很容易地定位在距离目标很近的地方，可能在数公里之外，从而解决了太赫兹辐射在空气中的传输问题。就远距离目标的有效辐射而言，这种新的太赫兹辐射振幅超过了其他辐射源数个数量级。

在先技术[4]：上海交通大学的盛正明课题团队发现在真空——等离子体界面观察到了中心频率在驱动脉冲持续时间的倒数附近的强低频辐射（https：//doi.org/10.1103/PhysRevE.69.025401）。辐射源于等离子体边界处激发的大振幅等离子体波。对于3×10¹⁷ W/cm²的入射脉冲，诱导辐射功率可达兆瓦量级，能量仅为毫焦量级。研究发现，等离子体边界附近适当的密度标度长度有利于产生诱导发射。这种密度分布可以通过横向发射激光脉冲到气体射流中，或者在使用固体靶时通过调节预脉冲与主脉冲的延迟来实现。

为了更高效地产生高场强的THz，实现光源在相关科学领域的实际应用，研究人员提出了各种方法以提高THz源的场强和能量转换效率。但是从在先技术的情况来看，除了转换效率过低以外，还存在着激光难以对准的问题，需要寻找新的技术方案加以解决。

发明内容

本发明的目的在于设计一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，基于飞秒激光脉冲与超声速喷气靶或气室相互作用的方式产生高功率THz辐射源。

本发明通过下述技术方案实现：一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，包括超短脉冲激光器及真空靶室系统，所述真空靶室系统内设置有超声速喷嘴系统、短焦距离轴抛物面镜、离轴抛物面镜及光路系统，所述超短脉冲激光器连接短焦距离轴抛物面镜，短焦距离轴抛物面镜连接超声速喷嘴系统，超声速喷嘴系统连接离轴抛物面镜，离轴抛物面镜连接光路系统。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述光路系统包括光谱分光器、带通滤波器、偏振器及热释电THz探测器，所述离轴抛物面镜依次连接光谱分光器、带通滤波器、偏振器及热释电THz探测器。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述真空靶室系统内，光谱分光器、带通滤波器、偏振器及热释电THz探测器同光轴设置。

短焦距离轴抛物面镜、带通孔的离轴抛物面镜、光谱分光器、带通滤片、偏振器及热释电THz探测器按顺序放置于真空靶室内，同轴且等高。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超短脉冲激光器采用脉冲宽度小于30飞秒，单发能量小于1焦耳的台面型超短脉冲激光器。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超声速喷嘴系统放置于真空靶室系统的靶室中心，且超声速喷嘴系统喷出的气柱中心高度与短焦距离轴抛物面镜的中心同高度。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超声速喷嘴系统采用日本SMARTSHELL超音速气体喷嘴系统，其主要结构为控制器、电磁阀及超声速喷嘴。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述短焦距离轴抛物面镜采用相对孔径F/3的短焦距离轴抛物镜。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述离轴抛物面镜为带通孔的离轴抛物面镜，且通孔直径为3毫米，离轴角50.8，反射焦距 101.6 毫米，母线焦距50.8毫米。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超短脉冲激光器产生的激光脉冲的长度远远小于超声速喷嘴系统的超声速喷嘴所充气体离化后形成的等离子体波长。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明克服以往产生高场强THz源方案的限制，采用紧聚焦飞秒激光与稀薄氦气相互作用。激光在稀薄等离子体中传输时，通过激光产生的空泡尾场形成随时间变化的位移电流，进而产生自生角向磁场。在该自生角向磁场的作用下，通过切伦科夫辐射机制辐射电磁波，其频率略高于等离子体频率。在气体密度一定时，辐射出来的电磁波为THz波。

本发明能够采用脉冲宽度极短的飞秒激光与超声速喷气相互作用的方式获得具有极高场强的THz射线源，它可以作为高性能THz射线源用于安保，生物医学等领域的探测、诊断。

本发明具有高场强（京伏/米），时间尺度短（亚皮秒），转换率较高（0.1%），空间发散角小（百毫弧度级）的特点，适用于高时空分辨THz射线探测邻域，也适用于生物医学成像领域，还有可能适用于物质操控领域。

本发明具有高场强的特性，通过采用磁化切伦科夫尾场，辐射出的THz波的电场强度为数十GV/m, 远高于目前主流的THz源。与在先技术[2]相比，场强相当，根据文献调研，为目前已知最强的THz电场。

本发明具有宽光谱的特性，本发明THz波的产生介质是等离子体。因此，本质上，该THz波必然是宽谱的，频率展宽度可达100%且中心频率位于等离子体波长附近，略高于等离子体本征频率。

本发明具有时间分辨率高的特性，由于本发明的工作介质是非线性等离子体波，只有1-2个振荡周期，因此，该THz辐射只有1-2个等离子体周期, 最终总的脉冲宽度将小于1皮秒，具有时间分辨率高的特点。

本发明成本可控，其所涉及技术经过高功率激光装置验证完全可行。目前成熟的商业重频太瓦级激光器完全能满足需求且不需要昂贵的外加设备，如超强外磁场产生装置，在极大提高THz辐射场强同时，也将尽可能地减小设备采购与维护成本。

本发明简便易行，与在先技术[2]相比，本发明只用一束激光就可以产生THz脉冲，不需要复杂精密的对准技术，大大降低了实验难度。同时与在先技术[3]相比，也不需要采取昂贵且低效的抑制预脉冲措施。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，100-超短脉冲激光器、101-真空靶室系统、102-超声速喷嘴系统、103-短焦距离轴抛物面镜、104-离轴抛物面镜、105-光谱分光器、106-带通滤器、107-偏振器、108-热释电THz探测器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

值得注意的是：在本申请中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本申请不符合专利法第二十六条第三款的情况。

实施例1：

如图1所示，一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，包括超短脉冲激光器100及真空靶室系统101，其特征在于：所述真空靶室系统101内设置有超声速喷嘴系统102、短焦距离轴抛物面镜103、离轴抛物面镜104及光路系统，所述超短脉冲激光器100连接短焦距离轴抛物面镜103，短焦距离轴抛物面镜103连接超声速喷嘴系统102，超声速喷嘴系统102连接离轴抛物面镜104，离轴抛物面镜104连接光路系统。

作为优选的设置方案，该少周期高场强相干THz辐射源产生系统设置有用于生成激光的超短脉冲激光器100及将激光波转换为THz辐射源的真空靶室系统101，真空靶室系统101包含超声速喷嘴系统102、短焦距离轴抛物面镜103、离轴抛物面镜104及光路系统；超短脉冲激光器100光路连接短焦距离轴抛物面镜103，短焦距离轴抛物面镜103将激光聚焦后投射到超声速喷嘴系统102的超声速喷嘴所形成的等离子体边沿上。

在具体使用时，商用激光装置（超短脉冲激光器100）上产生的脉冲宽度仅为数个激光周期的超短激光脉冲，经过相对孔径F/3的短焦距离轴抛物面镜103聚焦到超声速喷嘴系统102的超声速喷嘴所形成的等离子体边沿上，激光脉冲从横向和径向两个方向推开电子，形成非线性等离子体波。由于离子背景保持不动，在一定密度条件下，等离子内部形成空泡结构，该空泡内无加载的电子束。被推开的电子会回流，从而生成一个大尺度的角向磁场，强度为数十特斯拉。在该角向磁场的作用下，等离子体振荡由纯静电型转变成部分电磁型。最终电磁辐射以接近等离子体振荡的频率释放出去，形成极高场强的THz辐射波。为了对穿越超声速喷嘴系统102的激光进行分离，在光路上设置有离轴抛物面镜（优选采用带通孔的离轴抛物面镜）104，主激光发散角小，从通孔穿过去，而发散角大的THz辐射波则被带通孔的离轴抛物面镜104收集。此外为了进一步进行分离和检波，在光路上设置了光路系统。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超声速喷嘴系统102放置于真空靶室系统101的靶室中心，且超声速喷嘴系统102喷出的气柱中心高度与短焦距离轴抛物面镜103的中心同高度。所述超短脉冲激光器100采用脉冲宽度小于30飞秒，单发能量小于1焦耳的台面型超短脉冲激光器。

作为优选的设置方案，超短脉冲激光器100采用中心波长为0.8微米，峰值功率为数太瓦，重复频率10赫兹，脉冲宽度小于30飞秒，单发能量小于1焦耳的台面型超短脉冲激光器。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述光路系统包括光谱分光器105、带通滤波器106、偏振器107及热释电THz探测器108，所述离轴抛物面镜104依次连接光谱分光器105、带通滤波器106、偏振器107及热释电THz探测器108。

为了控制输出频谱带宽，在光谱分光器105后，放置了一个带通滤波器106，优选的带通滤波器可以根据需要配置不同的带宽，利用不同的带通滤波器可以选择不同的带宽。在带通滤波器106后，放置了一个偏振器107。通过偏振器107，可以选择THz波的偏振方向。最后，经过滤波及偏振选择的THz波由热释电THz探测器108进行检波。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超声速喷嘴系统采用日本SMARTSHELL超音速气体喷嘴系统，其主要结构为控制器、电磁阀及超声速喷嘴。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述短焦距离轴抛物面镜103采用相对孔径F/3的短焦距离轴抛物镜。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述超短脉冲激光器100产生的激光脉冲的长度远远小于超声速喷嘴系统102的超声速喷嘴所充气体离化后形成的等离子体波长。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案与前述技术方案它想办法在此将不再赘述，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述离轴抛物面镜104为带通孔的离轴抛物面镜，且通孔直径为3毫米，离轴角50.8，反射焦距 101.6 毫米，母线焦距50.8毫米。

实施例8：

如图1所示，一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，包括

采用光学参量啁啾脉冲放大技术而设计，中心波长为0.8微米，峰值功率为数太瓦，重复频率10赫兹，脉冲宽度小于30飞秒，单发能量小于1焦耳的台面型超短脉冲激光器（超短脉冲激光器100）；

真空靶室系统101，用于进行超声速喷嘴系统102、短焦距离轴抛物面镜103、离轴抛物面镜104、光谱分光器105、带通滤波器106、偏振器107及热释电THz探测器108的封装。

其中，超声速喷嘴系统102，置于短焦距离轴抛物面镜103之后，采用日本SMARTSHELL超音速气体喷嘴系统的超声速喷嘴系统（其主要结构为控制器、电磁阀及超声速喷嘴）；

短焦距离轴抛物面镜103，置于超短脉冲激光器100之后，采用相对孔径F/3的短焦距离轴抛物面镜；

离轴抛物面镜104为带通孔的离轴抛物面镜，置于超声速喷嘴系统102的超声速喷嘴之后，用于实现激光分离；

光谱分光器105，置于离轴抛物面镜104之后，用于分离THz辐射；

带通滤波器106，置于光谱分光器105之后，用于控制输出频谱带宽；

偏振器107，置于带通滤波器106之后，用于进行偏振方向的选择；

热释电THz探测器108，置于偏振器107之后，采用电磁波的热释电效应对THz辐射波进行检波，其采用可拆卸的设置方式，可根据需要组装或取下。

在应用时，超短脉冲激光器100发出时空双高斯型超短强激光脉冲。该时空双高斯型超短强激光脉冲长度小于30飞秒，能量为0.1焦耳的情况下。经过短焦距离轴抛物面镜103聚焦到超声速喷嘴系统103的超声速喷嘴边缘，使得激光束腰尺寸为13微米，相应的峰值激光功率密度为1.37×10¹⁸W/cm²。激光的偏振方向为S极化。调节超声速喷嘴背压，使得激光预脉冲离化后的等离子体密度1×10¹⁸/cm³，相应的等离子体波长为33微米。从大量的数值计算中发现，在等离子体的内部产生一个双空泡结构，空泡可近似地看成一个球形，球的半径略大于驱动激光的束腰。同时，激光排开的电子在静电力的作用下回流，并形成角向磁场。磁场的幅值为30 T。此时，非磁化等离子体变成局部磁化等离子体。不过由于磁场并不太强，此时等离子体处于弱磁化等离子体状态。在角向磁场的作用下，等离子体波从纯静电模式变成部分电磁模式。因此，可以产生场强大于20 GV/m的THz辐射，辐射频率具有宽谱特征，中心频率为15THz。如此强的THz波，非常适合用于极化材料分子的激发和操控。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，包括超短脉冲激光器（100）及真空靶室系统（101），其特征在于：所述真空靶室系统（101）内设置有超声速喷嘴系统（102）、短焦距离轴抛物面镜（103）、离轴抛物面镜（104）及光路系统，所述超短脉冲激光器（100）连接短焦距离轴抛物面镜（103），短焦距离轴抛物面镜（103）连接超声速喷嘴系统（102），超声速喷嘴系统（102）连接离轴抛物面镜（104），离轴抛物面镜（104）连接光路系统。

2.根据权利要求1所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述超声速喷嘴系统（102）放置于真空靶室系统（101）的靶室中心，且超声速喷嘴系统（102）喷出的气柱中心高度与短焦距离轴抛物面镜（103）的中心同高度。

3.根据权利要求1所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述超短脉冲激光器（100）采用脉冲宽度小于30飞秒，单发能量小于1焦耳的台面型超短脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述超声速喷嘴系统（102）采用SMARTSHELL超音速气体喷嘴系统。

5.根据权利要求1所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述短焦距离轴抛物面镜（103）采用相对孔径F/3的短焦距离轴抛物镜。

6.根据权利要求1所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述超短脉冲激光器（100）产生的激光脉冲的长度远远小于超声速喷嘴系统（102）的超声速喷嘴所充气体离化后形成的等离子体波长。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述光路系统包括光谱分光器（105）、带通滤波器（106）、偏振器（107）及热释电THz探测器（108），所述离轴抛物面镜（104）依次连接光谱分光器（105）、带通滤波器（106）、偏振器（107）及热释电THz探测器（108）。

8.根据权利要求7所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：在所述真空靶室系统（101）内，光谱分光器（105）、带通滤波器（106）、偏振器（107）及热释电THz探测器（108）同光轴设置。

9.根据权利要求7所述的一种少周期高场强相干THz辐射源产生系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜（104）为带通孔的离轴抛物面镜，且通孔直径为3毫米，离轴角50.8，反射焦距 101.6 毫米，母线焦距50.8毫米。

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