CN112230447B - 太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统 - Google Patents

太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统，所述太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统，根据焦场信息与太赫兹波强度和分布信息的对应关系，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，基于迭代的相息图连续调节变换激光器所发出光束的相位、振幅和偏振态进行焦场调控，使实际焦场信息最终与预设焦场信息一致，以实现了通过焦场控制技术对太赫兹波的复现。本发明基于空气法产生太赫兹波过程中对焦场的调节，能够更精确地控制和复现，调控更敏锐，稳定性更强。

Description

太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术和焦场调控技术领域，尤其涉及一种太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统。
背景技术
随着科学技术的深入发展，普通的激光光束已经不能满足人们的生产和科研要求，对无衍射光束，矢量光束等特殊光束的需求日渐增加，不断激励着空间光调制技术的发展。太赫兹波是指频率从0.1太赫兹到10太赫兹范围的电磁波谱，是一种远红外射线。
将超短激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹波的技术，又称“空气法”，由于其具备可在远处(几公里远)产生太赫兹波，能够克服太赫兹波在空气中的强吸收，以及产生的太赫兹波峰值功率高，频谱宽等优点，应用前景十分美好，近年来引起了人们的广泛关注。但是，由于太赫兹波产生机理并不完全清楚，使得“空气法”产生太赫兹波的调控较为困难，不利于精确实现。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统，以通过变换激光器所发出光束的相位、振幅和偏振态进行焦场调控，以对指定强度和分布特性的太赫兹波实现较为精确的复现调控。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，包括：
数控终端装置，用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对所述预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图；
焦场控制装置，包括空间光调制器，所述空间光调制器用于根据所述预设相息图调节待调控的太赫兹波产生装置中激光器产生的飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种；
焦场探测装置，包括分束器、第一透镜、第一倍频晶体以及光束分析仪，所述分束器用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；所述第一透镜用于聚焦第一子光束，所述第一倍频晶体用于将聚焦后的第一子光束进行倍频处理；所述光束分析仪用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜和第一倍频晶体后的实际焦场信息；其中，所述第二子光束用于导入待调控的太赫兹波产生装置以通过聚焦和倍频后激发空气生成太赫兹波，所述第一透镜与所述第一倍频晶体形成的光路与待调控的太赫兹波产生装置中的光路一致以利用所述实际焦场信息表征待调控的太赫兹波产生装置中的焦场信息；
所述数控终端装置，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对所述焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于所述设定阈值。
在一些实施例中，所述调控系统还包括：
太赫兹波探测装置，用于检验太赫兹波的强度和分布信息；所述太赫兹波探测装置包括：太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
在一些实施例中，所述太赫兹波探测装置还包括：
第一离轴抛物面反射镜，用于将待调控的太赫兹波产生装置产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片，用于过滤所述平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜，用于将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚至太赫兹滤波片进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并导入所述太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
在一些实施例中，所述焦场控制装置还包括：
光参量放大器，用于接收并调节待调控的太赫兹波产生装置中激光器产生的飞秒脉冲激光束的波长；
和/或，
斩波器，用于调节所述待调控的太赫兹波产生装置产生的太赫兹波的频率；
扩束器，用于将所述待调控的太赫兹波产生装置产生的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配所述空间光调制器的尺寸；
和/或，
反射镜，用于将所述空间光调制器输出的飞秒脉冲激光束导入所述分束器。
在一些实施例中，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器，所述太赫兹波分布探测器为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器；
和/或，
所述系统还包括：
显示器模块，用于实时显示飞秒脉冲激光束波长、飞秒脉冲激光束强度、相息图、焦场信息、太赫兹波强度信息和分布信息。
另一方面，本发明提供一种太赫兹波发生系统，包括：
数控终端装置，用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对所述预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图；
焦场控制装置，包括空间光调制器，所述空间光调制器用于接收飞秒脉冲激光束，并按照预设相息图调节所述飞秒脉冲激光束振幅、相位以及偏振态中的至少一种；
焦场探测装置，包括分束器、第一透镜、第一倍频晶体以及光束分析仪，所述分束器用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；所述第一透镜用于聚焦第一子光束，所述第一倍频晶体用于将聚焦后的第一子光束进行频率提升；所述光束分析仪用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜和第一倍频晶体后的实际焦场信息；
太赫兹波产生装置，包括第二透镜和第二倍频晶体，所述第二透镜用于聚焦所述第二子光束，所述第二倍频晶体用于将聚焦后的第二子光束进行频率提升后激发空气生成太赫兹波；其中，所述第一透镜与所述第一倍频晶体形成的光路与所述第二透镜和所述第二倍频晶体形成的光路一致，以利用所述实际焦场信息表征所述太赫兹波产生装置中的焦场信息；
所述数控终端装置，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对所述焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于所述设定阈值。
在一些实施例中，所述发生系统还包括：
太赫兹波探测装置，用于检验太赫兹波的强度和分布信息；所述太赫兹波探测装置包括：太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器；所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器，所述太赫兹波分布探测器为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器。
在一些实施例中，所述焦场控制装置还包括：
第一离轴抛物面反射镜，用于将太赫兹波产生装置产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片，用于过滤所述平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜，用于将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚，并使用太赫兹滤波片进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并依次导入所述太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
在一些实施例中，所述焦场控制装置还包括：
光参量放大器，用于接收并调节飞秒脉冲激光束的波长；
和/或，
斩波器，用于调节产生的太赫兹波频率；
扩束器，用于将接收到的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配所述空间光调制器的尺寸，提高调节效果；
和/或，
反射镜，用于将所述空间光调制器输出的飞秒脉冲激光束导入所述分束器。
在一些实施例中，所述焦场控制装置还包括：飞秒激光发生器，用于产生飞秒脉冲激光束。
本发明的有益效果至少包括：
所述太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统，根据焦场信息与太赫兹波强度和分布信息的对应关系，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，基于迭代的相息图连续调节变换激光器所发出光束的相位、振幅和偏振态进行焦场调控，使实际焦场信息最终与预设焦场信息一致，以实现了通过焦场控制技术对太赫兹波和复现。
进一步地，所述太赫兹波发生系统采用模块化设计、结构简单、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同种类的特殊光束以及不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明一实施所述空气法产生太赫兹波的装置的调控系统的结构示意图；
图2为本发明另一实施例所述空气法产生太赫兹波的装置的调控系统的结构示意图；
图3为本发明另一实施例所述空气法产生太赫兹波的装置的调控系统的结构示意图；
图4为本发明一实施所述太赫兹波发生系统的结构示意图；
图5为本发明另一实施例所述太赫兹波发生系统的结构示意图；
图6为本发明另一实施例所述太赫兹波发生系统的结构示意图。
符号说明：
10：数控终端装置；20：焦场控制装置；21：空间光调制器；
22：光参量放大器；23：斩波器；24：扩束器；
25：反射镜；30：焦场探测装置；31：分束器；
32：第一透镜；33：第一倍频晶体；34：光束分析仪；
40：待调控的太赫兹波产生装置；50：太赫兹波探测装置；
51：第一离轴抛物面反射镜；52：硅片；
53：太赫兹滤波片；54：第二离轴抛物面反射镜；
551：太赫兹波强度探测器；552：太赫兹波分布探测器；
60：太赫兹波产生装置；61：第二透镜；
62：第二倍频晶体。
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明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
太赫兹波即频率在0.1～10太赫兹(1太赫兹＝1012赫兹)的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，属于远红外电磁波。飞秒脉冲激光束，即脉冲宽度在几飞秒到几百飞秒之间，具有超短时间特性，能产生较高的峰值功率。具有高脉冲能量的飞秒激光脉冲(脉冲能量大于几百微焦)与气体原子作用，激发出自由离子与电子，产生等离子体。等离子体迅速衰弱，同时产生太赫兹波，这种方式称为“空气法”。
通过将飞秒脉冲激光束在远处聚焦，可在远处(几公里远)产生太赫兹波，能够克服太赫兹波在空气中的强吸收，该方法产生的太赫兹波具有峰值功率高，频谱宽等优点。但是，这种方式产生太赫兹波的能量利用效率比较低。
“空气法”中，飞秒脉冲激光束聚焦后的焦场光斑与太赫兹波的焦场特性存在一定的关联性和对应性。特定焦场条件下，产生太赫兹波的强度、分布特性、发散角度或偏振等特性趋于固定。因此，通过复现特定焦场，可以产生特定性质的太赫兹波，即通过焦场调控实现对太赫兹波的调控。
需要预先说明的是，相息图能够用于指导空间光调制器调制光波，记载有振幅、相位以及偏振态调节参量。焦场特性是指光在聚焦后焦平面内所呈现的强弱和分布特性，直观表现为焦斑。
本发明提供一种空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，如图1所示，至少包括：数控终端装置10、焦场控制装置20和焦场探测装置30。
数控终端装置10用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图。
焦场控制装置20包括空间光调制器21，空间光调制器21用于根据预设相息图调节待调控的太赫兹波产生装置40中激光器产生的飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种。
焦场探测装置30，包括分束器31、第一透镜32、第一倍频晶体33以及光束分析仪34，分束器31用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；第一透镜32用于聚焦第一子光束，第一倍频晶体33用于将聚焦后的第一子光束进行倍频处理；光束分析仪34用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜32和第一倍频晶体33后的实际焦场信息；其中，第二子光束用于导入待调控的太赫兹波产生装置40以通过聚焦和倍频后激发空气生成太赫兹波，第一透镜32与第一倍频晶体33形成的光路与待调控的太赫兹波产生装置40中的光路一致以利用实际焦场信息表征待调控的太赫兹波产生装置40中的焦场信息。
数控终端装置10，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于设定阈值。
在本实施例中，空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，仅对以“空气法”产生太赫兹波的待调控的太赫兹波产生装置40进行检测和调控。
数控终端装置10可以采用单片机、计算机处理器或其他可以存储和运行程序的电子存储介质。
通过将飞秒脉冲激光束在远处聚焦激发太赫兹波时，由于飞秒脉冲激光束焦场与太赫兹波强度、分布特性、发散角度、偏振、能量转化率(太赫兹波能量/激光能量)等属性存在对应关系，基于此，可以建立焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库。某一特定属性的太赫兹波可能对应多种焦场信息的飞秒脉冲激光束，太赫兹波的限定越多，与之相对应的飞秒脉冲激光束的焦场信息的个数越少。示例性的，能量转化率为1％的太赫兹波对应飞秒脉冲激光束的焦场信息(焦场光斑)可以是A1，A2和A3三种，进一步地，能量转化率为1％且发散角度为θ的太赫兹波对应飞秒脉冲激光束焦场信息为A1和A2两种。因此，如果要产生能量转化率为1％的太赫兹波，仅需要使飞秒脉冲激光束经焦场调控后复现焦场信息为A1，A2和A3中任意一种，则可以在此情景下复现能量转化率为1％的太赫兹波，而产生能量转化率为1％且发散角度为θ的太赫兹波，需要使飞秒脉冲激光束经焦场调控后复现焦场信息为A1和A2中任意一种。需要说明的是，基于所述调控系统对太赫兹波的复现能力，可以用于对指定强度、分布特性、发散角度或偏振等组合特性的太赫兹波进行复现，例如对已知的强度较大、能量转化率较高的太赫兹波进行复现。
焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库是基于已有的通过“空气法”产生太赫兹波的数据建立的。数据库中每个数据条至少包括太赫兹波强度、分布特性、发散角度、偏振和能量转化率等属性信息，以及产生该太赫兹波的飞秒脉冲激光束经太赫兹波生成器聚焦和倍频处理后的焦场信息。
进一步地，为了调控飞秒脉冲激光束的焦场信息以复现某一特定属性的太赫兹波。可以自对应关系数据库找到该太赫兹波对应的焦场信息，将该焦场信息作为预设焦场信息，用于调控和复现。
数控终端装置10将预设焦场信息进行逆傅里叶变换后，可以得到预设相息图。焦场控制装置20中的空间光调节器基于预设相息图调整飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种，以使得其经待调控的太赫兹波产生装置40聚焦和倍频后的焦场信息发生相应的变化，趋近于预设焦场。
焦场探测装置30主要用于检测调整后飞秒脉冲激光束经聚焦和倍频后的实际焦场信息。其中，分束器31用于将调整后的飞秒脉冲激光束分为两束，一束用于检测，另一束返回待调控的太赫兹波产生装置40以生成太赫兹光波。具体的，为了保证最终形成太赫兹波的焦场信息与检测到的一致。第一透镜32和第一倍频晶体33所形成的光路应当与待调控的太赫兹波产生装置40一致。
逆傅里叶变换由于损失、噪声等因素必然会引入误差，一次调控无法精确达到目的，因此，数控终端装置10还基于焦场探测装置30检出的实际焦场信息，进行修正调控。
具体的，将实际焦场信息(实际焦斑)与预设焦场信息(预设焦斑)进行比较，若匹配一致则可以输出，调控达到目的。若匹配不一致，则计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，将焦斑差值进行逆傅里叶变换后得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，基于修正后的预设相息图调整飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种，检测相应的实际焦场信息再与预设焦场信息进行比对。其中，匹配一致是指实际焦场信息与预设焦场信息的差值小于设定阈值，该设定阈值可以为零矩阵。
下面给出一个所述调控系统工作流程的示例：
基于预设的焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库，预通过调控产生属性为M的太赫兹波，产生该M属性太赫兹波的飞秒脉冲激光束的经聚焦和倍频后的焦场信息，作为预设焦场信息(焦斑)
Figure BDA0002704105440000081
其中，E0为预设焦场振幅，
Figure BDA0002704105440000082
预设焦场相位。对预设焦场信息E进行逆傅里叶变换得到预设相息图，利用预设相息图调制待调控的太赫兹波产生装置40中激光器产生的飞秒脉冲激光束，调节后的飞秒脉冲激光束为Ein＝E1exp(iσ1)，其中，E1为飞秒脉冲激光束的振幅，σ1为飞秒激光束的相位因子，经聚焦和倍频后实际焦场信息(焦斑)为
Figure BDA0002704105440000083
其中，
Figure BDA0002704105440000084
为焦场相位。预设焦场信息与实际焦场信息的差值为
Figure BDA0002704105440000085
对差值
Figure BDA0002704105440000086
进行逆傅里叶变换，获取入射面上的幅度和相位分布，根据该相位分布获得修正因子
Figure BDA0002704105440000087
基于修正相位因子计
Figure BDA0002704105440000091
算得到新的
Figure BDA0002704105440000092
利用更新的相位因子σ1进行新一轮调控。
在一些实施例中，如图2所示，所述调控系统还包括：
太赫兹波探测装置50用于检验太赫兹波的强度和分布信息；太赫兹波探测装置50包括：太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552。
在本实施例中，通过设置太赫兹波探测装置50，对待调控的太赫兹波产生装置40最终生成的太赫兹波属性进行检测，以验证最终产生的太赫兹波是否符合目标。
在一些实施例中，太赫兹波强度探测器551为热释电探测器或高莱探测器，太赫兹波分布探测器552为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器。
在一些实施例中，如图2所示，所述太赫兹波探测装置50还包括：
第一离轴抛物面反射镜反射镜51，用于将待调控的太赫兹波产生装置40产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片52，用于过滤所述平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜反射镜54，将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚，并使用太赫兹滤波片53进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并依次导入太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552。
太赫兹滤波片主要分为低通、带通，不同滤波片的材质不相同，本实施例采用低通滤波片，可以采用PE(聚乙烯)或PC(聚碳酸酯)材料。
对待调控的太赫兹波产生装置40产生的太赫兹波还需要进行最终的检验，基于“空气法”产生太赫兹波的方式，最终产生的太赫兹波是发散的并且掺杂部分飞秒脉冲激光束，这部分激光束的能量较高，会极大影响对太赫兹波各项属性的检测。因此，在本实施例中，通过第一离轴抛物面反射镜反射镜51汇聚太赫兹波，并导入硅片52。硅片52基于其材料特性，对太赫兹波的通过率较高，而对飞秒脉冲激光束的反射较好，且能有效抵抗强度较高的飞秒脉冲激光束，保持结构稳定持续工作。第二离轴抛物面反射镜反射镜54能够进一步调节光路，汇聚经硅片52过滤的太赫兹波，并将其导入太赫兹滤波片53。太赫兹滤波片53用于二次滤除太赫兹波中残留的飞秒脉冲激光束，最终依次导入太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552。
进一步地，可以通过调节第二离轴抛物面反射镜反射镜54的角度将太赫兹波依次导入太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552，也可以通过调节太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552的位置依次接收太赫兹波。
在一些实施例中，如图3所示，焦场控制装置20还包括：
光参量放大器22用于接收并调节待调控的太赫兹波产生装置40中激光器产生的飞秒脉冲激光束的强度和波长。
在本实施例中，对于待调控的太赫兹波产生装置40中激光器产生的飞秒脉冲激光束，可以进一步通过光参量放大器22进行调整强度和波长，基于对激光源的调整实现更广范围内太赫兹波的调控和复现。
在一些实施例中，如图3所示，焦场控制装置20还包括：
斩波器23用于调节所述待调控的太赫兹波产生装置40产生的太赫兹频率；扩束器24，用于将待调控的太赫兹波产生装置40产生的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配空间光调制器21的尺寸，提高调节效果。
在本实施例中，斩波器23用于调节太赫兹波频率，使与后续太赫兹波探测器的检测频率一致，以提高检测精度。扩束器24用于调节光束直径，以适应空间光调制器21的尺寸，以防止飞秒脉冲激光束在到达空间光调制器21时过于集中且光强较高，提高空间光调制器21的调节效果。
在一些实施例中，如图3所示，焦场控制装置20还包括：
反射镜25用于将空间光调制器21输出的飞秒脉冲激光束导入焦场探测装置30中的分束器31。
在本实施例中，通过设置反射镜25能够更加灵活地将空间光调制器21输出的飞秒脉冲激光导入焦场探测装置30中的分束器31，实现多角度控制。在一些实施例中，根据飞秒脉冲激光束的波长，可以选择特定材料的反射镜25以提高反射效果。例如，飞秒脉冲激光束波长为800nm或1200～1600nm时，反射镜25采用金属银镜。
在一些实施例中，飞秒脉冲激光束波长为800nm或1200～1600nm，相应的分束器31、第一透镜32和第二透镜61采用石英材质，以提高透过率。
在一些实施例中，所述调控系统还包括：
显示器模块(图中未示出)，用于实时显示飞秒脉冲激光束波长、飞秒脉冲激光束强度、相息图、焦场信息、太赫兹波强度信息和分布信息。
在本实施例中，显示器模块可以是液晶显示器，显示器模块连接数控终端装置10，以基于数控终端装置10生成或采集到的飞秒脉冲激光束波长、飞秒脉冲激光束强度、相息图、焦场信息、太赫兹波强度和分布信息，进行实时显示播报。
另一方面，本发明还提供一种太赫兹波发生系统，如图4所示，至少包括：数控终端装置10、焦场控制装置20、焦场探测装置30以及太赫兹波产生装置60，能够生成太赫兹波，并基于焦场调控技术实现指定太赫兹波的调控和复现。
数控终端装置10，用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图；
焦场控制装置20，包括空间光调制器21，空间光调制器21用于接收飞秒脉冲激光束，并按照预设相息图调节飞秒脉冲激光束振幅、相位以及偏振态中的至少一种；
焦场探测装置30，包括分束器31、第一透镜32、第一倍频晶体33以及光束分析仪34，分束器31用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；第一透镜32用于聚焦第一子光束，第一倍频晶体33用于将聚焦后的第一子光束进行频率提升；光束分析仪34用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜32和第一倍频晶体33后的实际焦场信息；
太赫兹波产生装置60，包括第二透镜61和第二倍频晶体62，第二透镜61用于聚焦第二子光束，第二倍频晶体62用于将聚焦后的第二子光束进行频率提升后激发空气生成太赫兹波；其中，第一透镜32与第一倍频晶体33形成的光路与第二透镜61和第二倍频晶体62形成的光路一致，以利用实际焦场信息表征太赫兹波产生装置60中的焦场信息；
数控终端装置10，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于设定阈值。
在本实施例中，参照前文中对“空气法产生太赫兹波的装置的调控系统”的说明，数控终端装置10可以采用单片机、计算机处理器或其他可以存储和运行程序的电子存储介质。基于焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库记载的数据，选择需要复现的目标太赫兹波，获取其对应的焦场信息作为预设焦场信息，通过调控飞秒脉冲激光束的振幅、相位和偏振态中的至少一种，在聚焦和倍频后的复现预设焦场信息。
具体的，数控终端装置10将预设焦场信息进行逆傅里叶变换后，可以得到预设相息图。焦场控制装置20中的空间光调节器基于预设相息图调整飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种，以使得其经待调控的太赫兹波产生装置40聚焦和倍频后的焦场信息发生相应的变化，趋近于预设焦场。
焦场探测装置30，用于检测调整后飞秒脉冲激光束经聚焦和倍频后的实际焦场信息。其中，分束器31用于将调整后的飞秒脉冲激光束分为两束，一束用于检测，另一束发送至太赫兹波产生装置60以生成太赫兹光波。本实施例中，用于激发太赫兹波的飞秒脉冲激光束由系统外输入。
太赫兹波产生装置60中，第二透镜61用于将接收到的第二子光束进行聚焦，经第二倍频晶体62倍频后激发空气产生太赫兹波。具体的，为了保证最终形成太赫兹波的焦场信息与焦场探测装置30检测到的一致，第一透镜32和第一倍频晶体33所形成的光路应当与太赫兹波产生装置60一致。
逆傅里叶变换由于损失、噪声等因素必然会引入误差，一次调控无法精确达到目的，因此，数控终端装置10还基于焦场探测装置30检出的实际焦场信息，进行修正调控。
具体的，将实际焦场信息(实际焦斑)与预设焦场信息(预设焦斑)进行比较，若匹配一致则可以输出，调控达到目的。若匹配不一致，则计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，将焦斑差值进行逆傅里叶变换后得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，基于修正后的预设相息图调整飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种，检测相应的实际焦场信息再与预设焦场信息进行比对。其中，匹配一致是指实际焦场信息与预设焦场信息的差值小于设定阈值，该设定阈值可以为零矩阵。
在一些实施例中，如图5所示，所述发生系统还包括：
太赫兹波探测装置50，用于检验太赫兹波的强度和分布信息；太赫兹波探测装置50包括：太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552；太赫兹波强度探测器551为热释电探测器或高莱探测器，太赫兹波分布探测器552为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器。
在本实施例中，通过设置太赫兹波探测装置50，对待调控的太赫兹波产生装置40最终生成的太赫兹波属性进行检测，以验证最终产生的太赫兹波是否符合目标。
在一些实施例中，如图5所示，所述焦场控制装置20还包括：
第一离轴抛物面反射镜反射镜51，用于将太赫兹波产生装置60产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片52，用于过滤平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜反射镜54，用于将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚，并使用太赫兹滤波片53进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并依次导入所述太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552。
具体的，对本实施例的说明可以参照前文“空气法产生太赫兹波的装置的调控系统”的部分。
在一些实施例中，如图6所示，所述焦场控制装置20还包括：
光参量放大器22，用于接收并调节飞秒脉冲激光束的强度和波长。
在本实施例中，用于激发太赫兹波的飞秒脉冲激光束，可以进一步通过光参量放大器22进行调整强度和波长，基于对激光源的调整实现更广范围内太赫兹波的调控和复现。
在一些实施例中，如图6所示，所述焦场控制装置20还包括：
斩波器23，用于调节太赫兹波产生装置产生的太赫兹波频率；扩束器24，用于将接收到的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配空间光调制器21的尺寸，提高调节效果。
在本实施例中，扩束器24用于调节光束直径，以适应空间光调制器21的尺寸，以防止飞秒脉冲激光束在到达空间光调制器21时过于集中且光强较高，提高空间光调制器21的调节效果。
在一些实施例中，如图6所示，所述焦场控制装置20还包括：
反射镜25，用于将空间光调制器21输出的飞秒脉冲激光束导入所述分束器31。
在本实施例中，通过设置反射镜25能够更加灵活地将空间光调制器21输出的飞秒脉冲激光导入焦场探测装置30中的分束器31，实现多角度控制。在一些实施例中，根据飞秒脉冲激光束的波长，可以选择特定材料的反射镜25以提高反射效果。例如，飞秒脉冲激光束波长为800nm或1200～1600nm时，反射镜25采用金属银镜。
在一些实施例中，飞秒脉冲激光束波长为800nm或1200～1600nm，相应的分束器31、第一透镜32和第二透镜61采用石英材质，以提高透过率。
在一些实施例中，如图6所示，焦场控制装置20还包括：飞秒激光发生器，用于产生飞秒脉冲激光束。
在本实施例中，通过在焦场控制装置20内设置光源设备，可以不再借助外界光源。
在一些实施例中，太赫兹波发生系统通过数控终端装置10通过使焦场调控系统装置、焦场探测装置30和太赫兹波探测装置50的信息互联，实现对相息图、焦场信息和太赫兹波强度及其分布信息的实时监控。该系统通过系统焦场和太赫兹波的反馈信息，调节空间光调制器21上加载的相息图，改变飞秒脉冲激光束的振幅、相位和偏振态，影响激光激发的空气等离子体状态，通过迭代方法寻找能够产生更强太赫兹波的光束模式，为进一步探究空气等离子体产生太赫兹波物理机制提供了新方法。
为达到上述目的，参照图6，本发明提供一种太赫兹波发生系统，其包括：
焦场调控装置，用于通过飞秒激光发生器22和光参量放大器22实现飞秒激光强度和波长的控制，并通过空间光调制器21完成飞秒激光焦场的调控；
焦场探测装置30，通过分束器31件分出一束弱光后以与太赫兹波产生装置60相同的方式聚焦，并通过光束分析仪34探测得到焦场信息。
太赫兹波产生装置60，包括相互平行的第一透镜32和第一倍频晶体33，调控光束依次垂直经过透镜和倍频晶体后产生太赫兹波；
太赫兹波探测装置50，用于太赫兹波强度及分布的探测。
数控终端装置10，用于实时的焦场调控与探测，并实时监测产生太赫兹波的强度。
在一实施例中，焦场调控装置包括依次设置于光路上的飞秒激光发生器22、光参量放大器22、斩波器23、扩束器24和空间光调制器21，飞秒脉冲激光器发射一束水平偏振的高斯光束，利用光参量放大器22根据实际需要对激光波长进行改变，随后光束经过斩波器23斩波和扩束器24扩束后以小角度入射至空间光调制器21，空间光调制器21对入射光束进行调制后实现焦场调控。
在一实施例中，太赫兹波产生装置60包括依次设置于光路上的第二透镜61和第二倍频晶体62，单色飞秒脉冲激光束通过透镜和倍频晶体聚焦倍频后，激发空气等离子体诱导产生太赫兹波辐射。
在一实施例中，焦场探测装置30通过分束器31件从主光路中分出一束弱光，依次经过第一透镜32和第一倍频晶体33，并通过光束分析仪34得到焦场信息。为保证探测到的焦场信息与产生太赫兹波的焦场信息一致，需要在两个模块(太赫兹波产生装置60及焦场探测装置30)中使用相同的透镜和倍频晶体，且布置形成相同的光路，以利用实际焦场信息表征待调控的太赫兹波产生装置中的焦场信息。
在一实施例中，太赫兹波探测装置50包括第一离轴抛物面反射镜反射镜51、硅片52、第二离轴抛物面反射镜反射镜54、太赫兹滤波片53和太赫兹波强度及分布探测器，第一离轴抛物面反射镜反射镜51将太赫兹波汇聚形成一束平行光束，该平行光束经过硅片52滤波去除残留的飞秒脉冲激光束，后投射至第二离轴抛物面反射镜反射镜54，之后再经过太赫兹滤波片53二次滤波后入射至太赫兹波强度及分布探测器。
在一实施例中，通过数控终端装置10可以对飞秒脉冲激光束的功率、飞秒脉冲激光束的波长、相息图、焦场信息、太赫兹波强度及其分布信息进行实时的控制和处理，实现焦场调控系统装置，焦场探测装置30和太赫兹波探测装置50的信息互联。
在一实施例中，空间光调制器21中预先加载有相息图，以对激光光束振幅，相位和偏振态进行控制。
在一实施例中，斩波器23的频率为15～20Hz，与太赫兹波探测装置50、光束分析仪34的采样频率一致，以提高检测精度。
在一实施例中，各透镜和分束器31的材质都是根据实际系统中激光波长，脉宽选取的，以提高对该波长范围激光的反射能力。如在800nm和1200-1600nm波长范围内，由于石英对该波长范围内的激光具有较高的透过率，能够提高激光能量的利用率，因此选取石英材质的透镜和分束器31最合适。
在一实施例中，太赫兹波强度及分布探测器分为太赫兹波强度探测器551和太赫兹波分布探测器552，太赫兹波强度探测器551为热释电探测器或高莱探测器，太赫兹波分布探测器552为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器。
综上所述，所述太赫兹波空气法产生装置的调控系统及太赫兹波发生系统，根据焦场信息与太赫兹波强度和分布信息的对应关系，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，基于迭代的相息图连续调节变换激光器所发出光束的相位、振幅和偏振态进行焦场调控，使实际焦场信息最终与预设焦场信息一致，以实现了通过焦场控制技术对太赫兹波和复现。
进一步地，所述太赫兹波发生系统采用模块化设计、结构简单、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同种类的特殊光束以及不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，其特征在于，包括：
数控终端装置，用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对所述预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图；
焦场控制装置，包括空间光调制器，所述空间光调制器用于根据所述预设相息图调节待调控的太赫兹波产生装置中激光器产生的飞秒脉冲激光束的振幅、相位以及偏振态中的至少一种；
焦场探测装置，包括分束器、第一透镜、第一倍频晶体以及光束分析仪，所述分束器用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；所述第一透镜用于聚焦第一子光束，所述第一倍频晶体用于将聚焦后的第一子光束进行倍频处理；所述光束分析仪用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜和第一倍频晶体后的实际焦场信息；其中，所述第二子光束用于导入待调控的太赫兹波产生装置以通过聚焦和倍频后激发空气生成太赫兹波，所述第一透镜与所述第一倍频晶体形成的光路与待调控的太赫兹波产生装置中的光路一致以利用所述实际焦场信息表征待调控的太赫兹波产生装置中的焦场信息；
所述数控终端装置，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对所述焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于所述设定阈值。
2.根据权利要求1所述的空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，其特征在于，所述调控系统还包括：
太赫兹波探测装置，用于检验太赫兹波的强度和分布信息；所述太赫兹波探测装置包括：太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
3.根据权利要求2所述的空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，其特征在于，所述太赫兹波探测装置还包括：
第一离轴抛物面反射镜，用于将待调控的太赫兹波产生装置产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片，用于过滤所述平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜，用于将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚至太赫兹滤波片进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并导入所述太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
4.根据权利要求1所述的空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，其特征在于，所述焦场控制装置还包括：
光参量放大器，用于接收并调节待调控的太赫兹波产生装置中激光器产生的飞秒脉冲激光束的波长；
和/或，
斩波器，用于调节所述待调控的太赫兹波产生装置产生的太赫兹波的频率；
扩束器，用于将所述待调控的太赫兹波产生装置产生的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配所述空间光调制器的尺寸；
和/或，
反射镜，用于将所述空间光调制器输出的飞秒脉冲激光束导入所述分束器。
5.根据权利要求2所述的空气法产生太赫兹波的装置的调控系统，其特征在于，
所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器，所述太赫兹波分布探测器为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器；
和/或，
所述系统还包括：
显示器模块，用于实时显示飞秒脉冲激光束波长、飞秒脉冲激光束强度、相息图、焦场信息、太赫兹波强度信息和分布信息。
6.一种太赫兹波发生系统，其特征在于，包括：
数控终端装置，用于在焦场信息与太赫兹波的强度和分布信息的对应关系数据库中，选取指定强度和分布属性的太赫兹波对应的预设焦场信息，对所述预设焦场信息进行逆傅里叶变换得到预设相息图；
焦场控制装置，包括空间光调制器，所述空间光调制器用于接收飞秒脉冲激光束，并按照预设相息图调节所述飞秒脉冲激光束振幅、相位以及偏振态中的至少一种；
焦场探测装置，包括分束器、第一透镜、第一倍频晶体以及光束分析仪，所述分束器用于将调节后的飞秒脉冲激光束分为第一子光束和第二子光束；所述第一透镜用于聚焦第一子光束，所述第一倍频晶体用于将聚焦后的第一子光束进行频率提升；所述光束分析仪用于检测飞秒脉冲激光束经过第一透镜和第一倍频晶体后的实际焦场信息；
太赫兹波产生装置，包括第二透镜和第二倍频晶体，所述第二透镜用于聚焦所述第二子光束，所述第二倍频晶体用于将聚焦后的第二子光束进行频率提升后激发空气生成太赫兹波；其中，所述第一透镜与所述第一倍频晶体形成的光路与所述第二透镜和所述第二倍频晶体形成的光路一致，以利用所述实际焦场信息表征所述太赫兹波产生装置中的焦场信息；
所述数控终端装置，还用于计算实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值，若该焦斑差值不低于设定阈值，则对所述焦斑差值进行逆傅里叶变换得到修正因子，并根据修正因子调整预设相息图，以使调整预设相息图后得到的实际焦场信息与预设焦场信息的焦斑差值低于所述设定阈值。
7.根据权利要求6所述的太赫兹波发生系统，其特征在于，所述发生系统还包括：
太赫兹波探测装置，用于检验太赫兹波的强度和分布信息；所述太赫兹波探测装置包括：太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器；所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器，所述太赫兹波分布探测器为太赫兹相机或太赫兹波阵列传感器。
8.根据权利要求7所述的太赫兹波发生系统，其特征在于，所述焦场控制装置还包括：
第一离轴抛物面反射镜，用于将太赫兹波产生装置产生的太赫兹波汇聚成平行光束；
硅片，用于过滤所述平行光束中残留的飞秒脉冲激光束；
第二离轴抛物面反射镜，用于将过滤飞秒脉冲激光束后的所述平行光束汇聚，并使用太赫兹滤波片进行二次滤波，以滤除残留的飞秒脉冲激光束，并依次导入所述太赫兹波强度探测器和太赫兹波分布探测器。
9.根据权利要求6所述的太赫兹波发生系统，其特征在于，所述焦场控制装置还包括：
光参量放大器，用于接收并调节飞秒脉冲激光束的波长；
和/或，
斩波器，用于调节产生的太赫兹波频率；
扩束器，用于将接收到的飞秒脉冲激光束进行扩束，以匹配所述空间光调制器的尺寸，提高调节效果；
和/或，
反射镜，用于将所述空间光调制器输出的飞秒脉冲激光束导入所述分束器。
10.根据权利要求6所述的太赫兹波发生系统，其特征在于，所述焦场控制装置还包括：飞秒激光发生器，用于产生飞秒脉冲激光束。
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THz wave generation from air plasma induced by vortex beam;Guangtong Jiang 等;《Proc. of SPIE》;20181231;第10826卷;第108261G-1页到第108261G-5页 *

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