CN113437620A - 基于bbo晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统 - Google Patents

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肖惠云
陈燕萍
张喆林
张嘉阳
马勇
潘武
刘艺
冉佳
黄文�
郝宏刚
李国军
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Abstract

本发明公开基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置进行脉冲调节和能量调节后分成泵浦激光和探测激光；探测激光经时间延迟后由电光取样装置收集；泵浦激光进入泵浦光路聚焦后形成等离子体通道经过直流电场后辐射出第一太赫兹波；同时聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体的不同位置后产生不同强度的二次谐波，通过不同强度的二次谐波改变第二太赫兹波的频率，进而改变电光取样装置收集到的太赫兹波的频率，从辐射太赫兹波的点源所在的位置进行调控配合脉宽和能量调节装置的泵浦脉冲能量的调谐，不仅保证太赫兹波的输出频率是连续的，且不要求高质量的光栅，成本相对较低。

Description

基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统
技术领域
本发明涉及太赫兹频率调节技术领域，具体涉及基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统。
背景技术
太赫兹(THz)是介于光和微波之间的一段频谱，其频率范围为0.1-10THz，波长介于30μm-3mm之间科学研究的电磁辐射光谱，它的频率是介于红外和微波频段。
随着太赫兹辐射的产生和检测技术的发展，人们可以利用太赫兹辐射进行材料表征和化学传感，实现无标记遗传分析和成像。如果可以进行人为操纵太赫兹波，使其工作在我们需要的频率，将可以大大提高太赫兹辐射相关应用的工作效率。因此寻找一种最优的太赫兹辐射频率调节方法尤为重要。
如今进行宽带太赫兹波频率的调节可以通过调节初始脉冲的大小和改变泵浦脉冲的光斑分布来进行，使用空间光调制器进行太赫兹频率的调谐，但该技术只适用于低的泵浦激光能量，空间光调制器容易出现损伤；通过改变聚焦透镜的焦距进行太赫兹频率的调节，改变的太赫兹波的输出频率是非连续的；改变泵浦激光的输出脉宽调节太赫兹波的输出频率，对光栅的质量以及成本的要求相对较高。
发明内容
现有的宽带太赫兹波频率的调谐方式只适用于低的泵浦激光能量，空间光调制器容易出现损伤、输出频率是非连续的和对光栅的质量以及成本的要求相对较高等技术问题；本发明提供基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统以解决上述技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，包括：激光发生装置、脉宽和能量调节装置、探测光路、泵浦光路和电光取样装置；所述泵浦光路包括角度可调的BBO晶体；
激光发生装置发出双色激光脉冲，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置进行脉冲调节和能量调节后分成能量不等的两路：能量大的为泵浦激光，能量小的为探测激光；
探测激光经过探测光路的时间延迟后由电光取样装置收集；
泵浦激光进入泵浦光路先聚焦后形成等离子体通道，等离子体通道经过直流电场后辐射出第一太赫兹波；同时聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体的不同位置后产生不同强度的二次谐波，二次谐波和泵浦激光共同激发等离子体通道辐射出第二太赫兹波；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波由电光取样装置收集。
本方案工作原理：现有的宽带太赫兹波频率调节方式为调节初始脉冲的大小和改变泵浦脉冲的光斑分布来实现，使用空间光调制器调谐太赫兹频率只适用于低泵浦激光能量情形，且空间光调制器容易出现损伤；而改变聚焦透镜的焦距调谐太赫兹频率，其太赫兹波的输出频率是非连续的；改变泵浦激光的输出脉宽调谐太赫兹频率，对光栅的质量以及成本的要求相对较高；本方案提供的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，令聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体的不同位置后产生不同强度的二次谐波，通过不同强度的二次谐波改变第二太赫兹波的频率，进而改变太赫兹波的频率，即调节泵浦激光通过BBO晶体的位置来调谐太赫兹波的频率，操作方式简单方便，同时适用于低泵浦激光能量和高泵浦激光能量情形，另外从辐射太赫兹波的点源所在的位置进行调控配合脉宽和能量调节装置的泵浦脉冲能量的调谐，不仅保证太赫兹波的输出频率是连续的，且不要求高质量的光栅，成本相对较低。
本方案中脉宽和能量调节装置和BBO晶体独立装设，可以令泵浦激光(对应调节脉宽和能量调节装置)和BBO晶体的位置一个为定量，另一个为变量，改变变量进行太赫兹频率的调谐，不仅适用范围广，且从辐射太赫兹波的源头调控可以保证太赫兹波的输出频率是连续的。
进一步优化方案为，所述脉宽和能量调节装置包括：光栅对、1/2波片、第一反射镜和第二反射镜，所述激光发生装置发出的入射激光脉冲先经过光栅对改变激光脉宽后，再经过1/2波片后到达第一反射镜，经第一反射镜的布儒斯特角反射后到达第二反射镜，经第二反射镜的布儒斯特角反射后分成能量不等的两路。
进一步优化方案为，还包括分束镜，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置进行脉冲调节和能量调节后通过分束镜分成能量不等的两路。
进一步优化方案为，所述泵浦光路还包括第三离轴抛物面镜、第一电极、第二电极和平凸透镜；
从分束镜分离出的泵浦激光经过第三离轴抛物面镜反射至平凸透镜，经平凸透镜进行聚焦后形成等离子体通道；
所述第一电极接地，第一电极与第二电极之间形成匀强电场加载在等离子体通道上；所述匀强电场完全覆盖等离子体通道。
进一步优化方案为，所述第一电极与第二电极均为铜片电极，第一电极与第二电极构成的匀强电场强度为8kV/cm。
进一步优化方案为，所述泵浦光路还包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波经过第一离轴抛物面镜反射到达第二离轴抛物面镜，经第二离轴抛物面镜反射到达电光取样装置。
进一步优化方案为，通过调整BBO晶体e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ来获得不同强度的二次谐波；
在BBO晶体e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ＝0°-75°范围内，BBO晶体的角度连续可调。
进一步优化方案为，θ越大，二次谐波强度越强。
进一步优化方案为，所述第一太赫兹波的频率低于第二太赫兹波的频率。
进一步优化方案为，所述激光发生装置发出的双色激光脉冲的脉宽为40fs，能量为4mJ，中心波长为800nm。
匀强电场诱导光丝(等离子体通道)产生的太赫兹波(第一太赫兹波)的频率是低频，双色场诱导产生的太赫兹波(二次谐波和泵浦激光激发等离子体通道辐射出第二太赫兹波，二次谐波和泵浦激光(基频光/中心波长为800nm的激光脉冲)构成非对称的电场，这个电场电离空气中的电子形成剩余电流，剩余电流的振荡激发等离子体通道辐射出第二太赫兹波。)的频率为高频，随着BBO晶体旋转角度θ的增加，二次谐波的强度增加，双色场诱导产生的太赫兹波的强度增加。
光丝(等离子体通道)辐射出的太赫兹由两种机制构成，直流场诱导产生的第一太赫兹波频率不变，双色场诱导产生的第二太赫兹波强度增加，两种因素导致电光取样装置收集的混合太赫兹波的频率有所增加。
通过改变BBO(旋转硼酸钡)晶体的角度和泵浦脉冲能量来对太赫兹辐射频率进行调节，只需要调节BBO(旋转硼酸钡)晶体的角度即可完成太赫兹频率调节，操作简单，调节方便。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，令聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体的不同位置后产生不同强度的二次谐波，通过不同强度的二次谐波改变第二太赫兹波的频率，进而改变电光取样装置收集到的太赫兹波的频率，从辐射太赫兹波的点源所在的位置进行调控配合脉宽和能量调节装置的泵浦脉冲能量的调谐，不仅保证太赫兹波的输出频率是连续的，且不要求高质量的光栅，成本相对较低。
2、本发明基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，脉宽和能量调节装置和BBO晶体独立装设，可以令泵浦激光(对应调节脉宽和能量调节装置)和BBO晶体的位置一个为定量，另一个为变量，改变变量进行太赫兹频率的调谐，不仅适用范围广，且从辐射太赫兹波的源头调控可以保证太赫兹波的输出频率是连续的；简单易操作的太赫兹频率调节技术对拓展飞秒激光空气成丝在太赫兹遥感中的应用有着极大的意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统结构示意图；
图2为实施例2实验坐标系；
图3为BBO晶体的旋转角度示意图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-激光发生装置，2-脉宽和能量调节装置，21-光栅对，22-1/2波片，23-第一反射镜，24-第二反射镜，3-探测光路，4-泵浦光路，41-第三离轴抛物面镜，42-第一电极，43-第二电极，44-平凸透镜，45-第一离轴抛物面镜，46-第二离轴抛物面镜，5-电光取样装置，6-BBO晶体，7-分束镜。
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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”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装置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保护范围的限制。
目前，宽带太赫兹波频率的调谐并不容易，而本发明提供了一种更加简便的频率调谐方法，即通过改变BBO晶体的旋转角度和泵浦脉冲的能量，实现了对太赫兹波峰值频率的连续调谐。
实施例1
如图1所示，基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，包括：激光发生装置1、脉宽和能量调节装置2、探测光路3、泵浦光路4和电光取样装置5；所述泵浦光路4包括角度可调的BBO晶体6；
激光发生装置1发出双色激光脉冲，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置2进行脉冲调节和能量调节后分成能量不等的两路：能量大的为泵浦激光，能量小的为探测激光；
探测激光经过探测光路3的时间延迟后由电光取样装置5收集；
泵浦激光进入泵浦光路4先聚焦后形成等离子体通道，等离子体通道经过匀强电场后辐射出第一太赫兹波；同时聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体6的不同位置后产生不同强度的二次谐波，二次谐波和泵浦激光共同激发等离子体通道辐射出第二太赫兹波；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波由电光取样装置5收集。
所述脉宽和能量调节装置2包括：光栅对21、1/2波片22、第一反射镜23和第二反射镜24，所述激光发生装置1发出的入射激光脉冲先经过光栅对21改变激光脉宽后，再经过1/2波片22后到达第一反射镜23，经第一反射镜23的布儒斯特角反射后到达第二反射镜24，经第二反射镜24的布儒斯特角反射后分成能量不等的两路。
还包括分束镜7，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置2进行脉冲调节和能量调节后通过分束镜7分成能量不等的两路。
泵浦光路4还包括第三离轴抛物面镜41、第一电极42、第二电极43和平凸透镜44；
从分束镜7分离出的泵浦激光经过第三离轴抛物面镜41反射至平凸透镜44，经平凸透镜44进行聚焦后形成等离子体通道；
第一电极42接地，第一电极42与第二电极43之间形成匀强电场加载在等离子体通道上；所述匀强电场完全覆盖等离子体通道。
第一电极42与第二电极43均为铜片电极，第一电极42与第二电极43构成的匀强电场强度为8kV/cm。
泵浦光路4还包括第一离轴抛物面镜45和第二离轴抛物面镜46；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波经过第一离轴抛物面镜45反射到达第二离轴抛物面镜46，经第二离轴抛物面镜46反射到达电光取样装置5。
通过调整BBO晶体e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ来获得不同强度的二次谐波；
如图3所示，BBO晶体的旋转角度定义为BBO晶体的e轴与基频光的偏振方向之间的夹角θ，图中竖直方向为基频光的偏振方向，在BBO晶体e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ＝0°-75°范围内，BBO晶体的角度连续可调。
θ越大，二次谐波强度越强。
第一太赫兹波的频率低于第二太赫兹波的频率。
激光发生装置1发出的双色激光脉冲的脉宽为40fs，能量为4mJ，中心波长为800nm。
实施例2
本实施例提供了一种简便的太赫兹频率调谐方法。
首先依据实施例1搭建实验装置；其中平凸透镜的焦距为30cm；BBO晶体的厚度为0.2mm，第一电极42与第二电极43构成的匀强电场强度为EDC＝8kV/cm。
在双色激光脉冲和外加电场条件下通过改变BBO晶体的角度得到不同的太赫兹频率，然后在双色激光脉冲条件下，固定BBO晶体的旋转角度通过调整脉宽和能量调节装置改变泵浦脉冲能量，从而改变太赫兹频率。本实施例实验坐标系如图2所示，激光脉冲的偏振方向沿坐标系中的竖直方向，即y轴方向。
1.改变BBO晶体旋转角度对太赫兹频率的调谐
首先在双色激光脉冲和外加直流电场的实验条件下，依次旋转BBO晶体的角度，调节范围从0°～75°，得到太赫兹波的时域波形和傅里叶变换之后的频谱曲线。通过旋转BBO晶体的角度来改变太赫兹波频谱峰值频率，随着BBO晶体旋转角度的增加，可以使太赫兹波频谱峰值频率从低频向高频移动。即产生蓝移趋势。
2.改变泵浦脉冲能量对太赫兹波峰值频率的调谐
在双色激光脉冲实验条件下，固定BBO晶体旋转角度，通过脉宽和能量调节装置将激光脉冲能量从0-4mJ依次增加，获得不同能量下的太赫兹频谱。其中，BBO晶体的角度的固定值可以是0°-75°之间的任意值。泵浦激光的输出能量变化范围为0.4-4mJ。当泵浦激光的输出能量为5mJ的时候，会出现多个光丝的现象，需要考虑离轴抛物面镜的损伤问题。
在双色激光脉冲实验条件下，通过改变泵浦脉冲能量，使其太赫兹波频谱峰值频率发生红移的现象，太赫兹波频谱带宽变窄。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，包括：激光发生装置(1)、脉宽和能量调节装置(2)、探测光路(3)、泵浦光路(4)和电光取样装置(5)；所述泵浦光路(4)包括角度可调的BBO晶体(6)；
激光发生装置(1)发出双色激光脉冲，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置(2)进行脉冲调节和能量调节后分成能量不等的两路：能量大的为泵浦激光，能量小的为探测激光；
探测激光经过探测光路(3)的时间延迟后由电光取样装置(5)收集；
泵浦激光进入泵浦光路(4)先聚焦后形成等离子体通道，等离子体通道经过直流电场后辐射出第一太赫兹波；同时聚焦后的泵浦激光通过BBO晶体(6)的不同位置后产生不同强度的二次谐波，二次谐波和泵浦激光共同激发等离子体通道辐射出第二太赫兹波；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波由电光取样装置(5)收集。
2.根据权利要求1所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，所述脉宽和能量调节装置(2)包括：光栅对(21)、1/2波片(22)、第一反射镜(23)和第二反射镜(24)，所述激光发生装置(1)发出的入射激光脉冲先经过光栅对(21)改变激光脉宽后，再经过1/2波片(22)后到达第一反射镜(23)，经第一反射镜(23)的布儒斯特角反射后到达第二反射镜(24)，经第二反射镜(24)的布儒斯特角反射后分成能量不等的两路。
3.根据权利要求2所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，还包括分束镜(7)，双色激光脉冲经过脉宽和能量调节装置(2)进行脉冲调节和能量调节后通过分束镜(7)分成能量不等的两路。
4.根据权利要求3所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，所述泵浦光路(4)还包括第三离轴抛物面镜(41)、第一电极(42)、第二电极(43)和平凸透镜(44)；
从分束镜(7)分离出的泵浦激光经过第三离轴抛物面镜(41)反射至平凸透镜(44)，经平凸透镜(44)进行聚焦后形成等离子体通道；
所述第一电极(42)接地，第一电极(42)与第二电极(43)之间形成匀强电场加载在等离子体通道上；所述匀强电场完全覆盖等离子体通道。
5.根据权利要求4所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，所述第一电极(42)与第二电极(43)均为铜片电极，第一电极(42)与第二电极(43)构成的匀强电场强度为8kV/cm。
6.根据权利要求4所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，所述泵浦光路(4)还包括第一离轴抛物面镜(45)和第二离轴抛物面镜(46)；
混合的第一太赫兹波和第二太赫兹波经过第一离轴抛物面镜(45)反射到达第二离轴抛物面镜(46)，经第二离轴抛物面镜(46)反射到达电光取样装置(5)。
7.根据权利要求1所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，通过调整BBO晶体(6)e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ来获得不同强度的二次谐波；
在BBO晶体(6)e轴与聚焦后的泵浦激光偏振方向的夹角θ＝0°-75°范围内，BBO晶体(6)的角度连续可调。
8.根据权利要求7所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，其特征在于，θ越大，二次谐波强度越强。
9.根据权利要求1所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，所述第一太赫兹波的频率低于第二太赫兹波的频率。
10.根据权利要求1所述的基于BBO晶体和泵浦脉冲能量的太赫兹波频率调节系统，所述激光发生装置(1)发出双色激光脉冲的脉宽为40fs，能量为4mJ，中心波长为800nm。
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