CN113534321B - 激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法，包括激光器装置：产生驱动激光脉冲；镜片组装置：调制聚焦驱动激光脉冲光束；气体靶产生装置：产生气体靶，气体靶与调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。本发明适合控制和产生超宽谱的太赫兹脉冲辐射；且能在远场重现环形光斑结构；另外改变等离子体参数或入射驱动激光脉冲，来便捷地调控其产生的贝塞尔太赫兹脉冲辐射参数。因此，本发明能产生高重复频率、少周期、超宽频谱、具有贝塞尔光场模式、可以远场传输的太赫兹脉冲辐射。
Description
技术领域
本发明涉及贝塞尔太赫兹脉冲辐射的技术领域，具体地，涉及一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法。
背景技术
具有特殊光斑结构的光束(如贝塞尔光束等)由于在光学成像、光学微处理和光学通信中的广泛应用而受到越来越多的关注。同时，在过去二十年中，太赫兹科学取得了巨大的进步，其应用范围从太赫兹光谱诊断扩展到了材料激发、亚波长尺度成像、无线通信等。因此，在太赫兹频率范围内实现对光束结构的控制已成为广受关注的课题。
公开号为CN111239882A的中国发明专利公开了一种太赫兹贝塞尔光束产生器、制备方法及产生系统。其中太赫兹贝塞尔光束产生器包括一液晶聚合物膜；沿第一方向，液晶聚合物膜中液晶分子指向矢与第二方向的夹角呈周期性0°-180°渐变分布；沿第二方向，液晶聚合物膜中液晶分子指向矢与第二方向的夹角呈周期性0°-180°渐变分布，以形成产生太赫兹贝塞尔光束所需要的锥透镜相位模板；其中，第一方向与第二方向垂直。此文件提供的太赫兹贝塞尔光束产生器，具有宽波段适用、小型化易集成、高效简便、成本低、轻薄化的特点，在太赫兹通信、传感、成像等方面有着极大的应用潜力。
传统的基于太赫兹脉冲辐射的贝塞尔光束整形技术是二者单纯的“复合”，从特定的光源获得一般太赫兹脉冲辐射，再通过特定的光学元件将太赫兹光斑整形成贝塞尔光束的光斑结构。这种光斑整形方式有以下几种局限性：其一是太赫兹元件自身的材料限制，使其只能覆盖较窄的频谱范围，对具备超宽带宽的太赫兹源进行光斑整形后获得的贝塞尔太赫兹波，其频率组分中对应材料吸收的部分会损失；即使光学元件的材料可以适用于较宽的频率范围，但其在各频段的吸收系数都较大，从而使整形后的贝塞尔太赫兹波损失了大部分能量。其二是贝塞尔光束本身的局限，传统贝塞尔光束是通过光束局域交叉干涉实现的，因而无法传输到远场，基于类似技术的太赫兹脉冲辐射同样有这个问题。
针对上述中的现有技术，发明人认为基于传统光学技术的整形方法，贝塞尔光束通常通过光场交叠干涉的方式产生，这类方法限制了贝塞尔光场无法传播至远场。即使通过透镜组合进行光场像传递，也极大地增加了光学元件和校准的要求，更是受限于材料的吸收带宽、吸收损耗、能量增益等限制，很难产生宽谱少周期的贝塞尔太赫兹脉冲辐射。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法。
根据本发明提供的一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，包括激光器装置、镜片组装置、气体靶产生装置；
激光器装置：产生驱动激光脉冲；
镜片组装置：调制聚焦驱动激光脉冲光束；
气体靶产生装置：产生气体靶，气体靶与调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。
优选的，还包括太赫兹脉冲辐射探测装置：对太赫兹脉冲辐射进行探测。
优选的，所述激光器装置采用飞秒激光装置，驱动激光脉冲比如是泵浦激光脉冲。
优选的，所述气体靶产生装置比如是大气环境空间，气体靶比如是大气环境。
优选的，所述气体靶产生装置包括真空靶室和设置在真空靶室内的高压气体喷嘴，所述真空靶室提供驱动激光脉冲和气体靶相互作用的真空环境，高压气体喷嘴产生气体靶。
优选的，所述镜片组装置由聚焦透镜、锥形镜和倍频晶体组成。
优选的，所述泵浦激光脉冲的脉宽范围为10～120飞秒。
优选的，所述泵浦激光脉冲的峰值功率范围为0.1～20太瓦。
优选的，所述等离子体通道沿驱动激光脉冲传播方向的长度范围为3～8厘米。
根据本发明提供的一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的方法，包括如下步骤：
步骤1：产生驱动激光脉冲；
步骤2：调制聚焦驱动激光脉冲光束；
步骤3：产生气体靶，气体靶和调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、基于激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法，由于等离子体无材料损失等限制，且可以承受极高功率、强度和能量的激光脉冲，适合控制和产生超宽谱的太赫兹脉冲辐射。而且本发明的方法突破了贝塞尔光束的近场限制，可以方便地在远场重现环形光斑结构；另外，可通过简单地改变等离子体参数或入射激光脉冲，来便捷地调控其产生的贝塞尔太赫兹脉冲辐射参数。因此，本发明能产生高重复频率、少周期(单周期)、超宽频谱、具有贝塞尔光场模式、可以远场传输的太赫兹脉冲辐射。该发明优于且不同于其他人之前提出的贝塞尔太赫兹脉冲辐射的产生方式，突破了传统贝塞尔光束的近场局限，同时也兼具超宽频谱等优点。这将会为很多应用带来经济实用、可控性强的强宽谱贝塞尔太赫兹源。
2、相比于传统光学方法的光斑整形技术，基于激光等离子体的太赫兹光斑整形技术有着诸多独特的优势。首先，激光等离子体源自身可以自适应超宽的太赫兹光谱，且可以通过控制泵浦激光脉冲参数对等离子体的结构进行直接调制。这样可以避免引入其他不必要的光学元件，且克服贝塞尔光束不能远场传播的限制。此系统高效、小型紧凑、高重复率，可以获得稳定的少周期(单周期)、超宽频谱、具有贝塞尔光场模式、可以远场传输的太赫兹脉冲辐射。该系统有利于提供经济实用、稳定可靠的太赫兹贝塞尔光束，突破传统光学技术的瓶颈，将为太赫兹科学领域带来新的研究手段和机遇。
3、本系统及方法产生模式可控的贝塞尔太赫兹脉冲辐射：使用本发明可以简单通过改变激光器装置参数和镜片组装置参数控制等离子体通道的结构，从而实现对太赫兹脉冲辐射模式的调控。而且本发明产生的辐射突破了常规贝塞尔光束无法传输到远场的限制，可以在远场重现光场结构分布，具备极高的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一的产生的贝塞尔太赫兹光束的光场结构分布示意图；
图3为本发明实施例二的整体结构示意图。
附图标记：1、激光器装置；2、镜片组装置；3、气体靶产生装置；4、发散的光波；5、太赫兹脉冲辐射检测装置；6、聚焦透镜；7、锥形镜；8、气体靶；9、高压气体喷嘴；10、大气环境空间；11、倍频晶体。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一：本发明实施例一公开了一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，如图1所示，包括激光器装置1、镜片组装置2、气体靶产生装置3。
激光器装置1用于输出合适参数的驱动激光脉冲，驱动激光脉冲比如是泵浦激光脉冲。激光器装置1采用飞秒激光装置，飞秒激光装置比如是商用的千赫兹级高重复频率、稳定而经济实用的飞秒激光器。泵浦激光脉冲为高斯光束。泵浦激光脉冲的脉宽范围为10～120飞秒(1飞秒＝10-15秒)，脉宽较佳范围为20～40飞秒。泵浦激光脉冲的峰值功率范围为0.1～20太瓦(1太瓦＝1012瓦)，峰值功率较佳范围为1～10太瓦。本实施例驱动激光脉冲的波长为800纳米，脉冲宽度为40飞秒，单脉冲能量为16豪焦，对应峰值功率为0.4太瓦。
镜片组装置2用于调制聚焦驱动激光脉冲，得到双色驱动激光脉冲。镜片组装置2主要且至少由一片聚焦透镜6、一片锥形镜7以及一片倍频晶体11组成且依次排列，聚焦透镜6设置在激光器装置1和倍频晶体11之间，激光器装置1输出的驱动激光脉冲的光路上放置倍频晶体11形成超短双色的驱动激光脉冲(基频光与倍频光)。聚焦透镜6比如是球面透镜，典型的球面透镜焦距范围为30～50厘米，通光口径范围为75～100毫米。球面透镜比如是一般的平凸透镜，平凸透镜通光口径为75毫米，焦距为50厘米。锥形镜7比如是锥形透镜，典型的锥形透镜楔角范围为2～4度，通光口径范围为25～50毫米。本实施例一中的锥形镜7的通光口径为25毫米，楔角为4度，锥形镜7与平凸透镜间距约30厘米。倍频晶体11用于产生激光器装置1输出的激光束的二倍频光束，典型的倍频晶体11厚度范围为0.1～0.2毫米。本实施例一的倍频晶体11为第I型beta偏硼酸钡晶体，厚度0.2毫米，与锥形镜7间距约1厘米。驱动激光脉冲输出至聚焦透镜6前的光斑直径范围为25～75毫米，光斑直径较佳范围为40～50毫米，分散聚焦无法规定气体靶8上的束腰半径。本实施例一中的驱动激光脉冲传播至聚焦透镜前的光斑直径为50毫米。
气体靶产生装置3产生气体靶8，气体靶8与驱动激光脉冲相互作用激发出等离子体，进而形成所需的等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。气体靶产生装置3比如是大气环境空间10，气体靶8比如是大气环境，直接使用大气环境作为气体靶8。这种气体靶8参数取决于实验室环境参数，气体靶8的气体组成为70％氮气、29％氧气及其他微量气体构成的混合气体，气压为1个大气压(约105Pa)。通过改变气体靶8参数来对产生的太赫兹脉冲辐射参数作进一步的调节。
经过聚焦调制之后的双色的驱动激光脉冲，聚焦在气体靶8上激发等离子体通道。等离子体通道的尺度由驱动激光脉冲参数和镜片组装置2参数共同确定，等离子体通道沿驱动激光脉冲传播方向长度范围为3～8厘米，直径范围为20～100微米，较佳长度范围为4～6厘米。气体靶8电离后形成的等离子体包含的电子数密度范围为每立方厘米1013～1018个，气体靶8包含的电子数密度较佳范围为每立方厘米1014～1016个，气体靶8横向(垂直于驱动激光脉冲传播方向)具有类抛物线分布的等离子体密度，气体靶8纵向(平行于驱动激光脉冲传播方向)具有非均匀递增的等离子体密度，由镜片组装置2的参数控制。等离子体通道在横向上(即垂直驱动激光脉冲的传播方向)具有类高斯形的密度梯度。本实施例等离子体通道沿驱动激光脉冲传播方向的长度约为55毫米，沿横向(垂直于驱动激光脉冲传播方向)呈类高斯形密度分布，电离后的等离子体沿等离子体通道轴上的电子数密度约为每立方厘米1015个。
由于等离子体通道几何结构的特殊性，在镜片组装置2中输入的泵浦激光脉冲分散聚焦，所激发的等离子体通道前沿的传播速度将超过驱动激光脉冲自身在气体靶8中的传播速度。基频光与倍频光一起在等离子体通道中通过电离气体形成自由电子漂移，从而产生贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。在这种情况下，在等离子体通道末端激发的太赫兹脉冲辐射波前将领先于等离子体通道前端激发的太赫兹脉冲辐射波前。等离子体通道上各个波源辐射的太赫兹波前将在远场相互交叉干涉。同时，由于激光二倍频的引入，不同波源辐射出的太赫兹波将会连续出现相位翻转，经过干涉叠加后太赫兹波场会被分割成几个区域，相邻区域之间的波场具有相反的载波包络相位，在强度分布上形成多个环形的光斑，即形成贝塞尔光束模式的太赫兹脉冲辐射。
由于产生的太赫兹脉冲辐射从波源辐射出来后就已经具有了贝塞尔模式的分布，因此无需再添加其他光场调制元件，分布的贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射即为发散的光波4。发散的光波4也可以在远场被重新收集和聚焦。该系统还包括太赫兹探测装置，对太赫兹脉冲辐射进行探测，太赫兹探测装置包括太赫兹能量计、太赫兹时域光谱仪和太赫兹相机。太赫兹探测装置采用的探测方式包括但不限于能量探测、波形探测和光斑结构探测等，能量探测可以通过太赫兹能量计探测，波形探测可以通过太赫兹时域光谱仪探测，光斑结构探测可以通过太赫兹相机探测。太赫兹能量计比如是高莱管探测器(Golay Cell)，太赫兹时域光谱仪比如是电光扫描探测器，可选商业仪器，也可自行搭建组装。激发等离子体通道产生的太赫兹脉冲辐射由一组离轴抛物面镜收集并聚焦，随后由电光采样方法对太赫兹脉冲辐射进行波形探测。对太赫兹波场分布的测量采用刀口法间接测量。
如图2所示，展示了太赫兹贝塞尔光束辐射波场的空间分布模式。从等离子体通道中辐射出的太赫兹波场分布，由中心向外依次分为三个分段波前，相邻区域内相位相反，迎着光看可见同心圆环结构，这是典型的的贝塞尔光束模式。
此外，本发明可以通过改变气体靶8参数、镜片组装置2参数或泵浦激光脉冲参数来调控产生的贝塞尔太赫兹脉冲辐射参数，如脉冲能量、中心频率、贝塞尔模式光场结构、载波包络相位、模式分布等，从而获得所需要的太赫兹贝塞尔光束。该系统所需条件相对简单、易行、经济实用，可实现高重复频率的驱动激光脉冲输出，且突破了传统贝塞尔光束无法传播至远场的特点。这种远场贝塞尔太赫兹脉冲辐射对基础科学研究、医学和工业应用等具有潜在的广泛应用价值。
本系统简单紧凑、成本低：本发明所需的激光器装置1可采用目前商用的太瓦级飞秒激光器，具有千赫兹级的重复运行频率、紧凑的尺寸、较低的购买和运行成本。气体靶8可以直接利用大气环境。
本系统操作简单，重复频率高；本发明只需将泵浦激光脉冲以特定方式聚焦到气体靶8上激发等离子体即可。通过泵浦激光脉冲与等离子体相互作用激发的等离子体振荡产生太赫兹脉冲辐射，无需其他的光学调制设备，是个操作简单的全光学产生方法。因此，本发明方法具备高运行重复率、高稳定性、低成本、小型紧凑和实用性强等优势和特点。
本申请实施例一还公开了一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1：产生驱动激光脉冲。步骤2：调制聚焦驱动激光脉冲光束。步骤3：产生气体靶8，气体靶8和调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。
应用激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统及方法产生了少周期(单周期)、超宽频谱、具有贝塞尔光场模式、可以远场传输的太赫兹脉冲辐射，具有以下特性：(a)超宽的太赫兹光谱，频谱宽度大于40太赫兹(1太赫兹＝1012Hz，对应波长为0.3毫米)；(b)超短的脉冲周期数，在光强的半高全宽处脉宽短至近单个振荡周期；(c)多重环状的光斑结构(贝塞尔模式)，环的数目可控，典型的在2～4环之间；(d)环形结构中的相邻环间具有相反的相位(相位差180°)；(e)具有可控的载波包络相位。
实施例二：本发明实施例二还公开了一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，如图3所示，与实施例一的不同之处在于，所述气体靶产生装置3包括真空靶室和设置在真空靶室内的高压气体喷嘴9或者是阵列的高压气体喷嘴9。真空靶室可提供驱动激光脉冲与气体靶8相互作用的真空环境，高压气体喷嘴9或阵列的高压气体喷嘴9产生气体密度分布可调、体积可控的气体靶8，由驱动激光脉冲电离产生复合要求的等离子体通道，且引导驱动激光脉冲传输的等离子体通道产生不限于使用高压气体喷嘴9或使用阵列的高压气体喷嘴9。形成的气体靶8具有密度、长度等可调性，且具备高重复使用率。其中，高压气体喷嘴9，可以通过调节气体喷嘴出口形状及喷流流速等来控制出射的气体，产生所需要的气体靶8。该气体靶8的组成成分可由低原子序数的单一或多种混合气体构成，较佳地可由氢气、氦气、氮气或它们的混合物构成。使用的真空靶室可以直接从厂商订购，该设备和技术已经非常成熟。
本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，其特征在于，包括激光器装置（1）、镜片组装置（2）、气体靶产生装置（3）；
激光器装置（1）：产生驱动激光脉冲；
镜片组装置（2）：调制聚焦驱动激光脉冲光束；
气体靶产生装置（3）：产生气体靶（8），气体靶（8）与调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射；
还包括太赫兹脉冲辐射探测装置：对太赫兹脉冲辐射进行探测；
所述激光器装置（1）采用飞秒激光装置，驱动激光脉冲是泵浦激光脉冲；
所述气体靶产生装置（3）包括真空靶室和设置在真空靶室内的高压气体喷嘴（9），所述真空靶室提供驱动激光脉冲和气体靶（8）相互作用的真空环境，高压气体喷嘴（9）产生气体靶（8）；
所述镜片组装置（2）由聚焦透镜（6）、锥形镜（7）和倍频晶体（11）组成且依次排列。
2.根据权利要求1所述的激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，其特征在于，所述气体靶产生装置（3）是大气环境空间（10），气体靶（8）是大气环境。
3.根据权利要求1所述的激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，其特征在于，所述泵浦激光脉冲的脉宽范围为10～120飞秒。
4.根据权利要求1所述的激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，其特征在于，所述泵浦激光脉冲的峰值功率范围为0.1～20太瓦。
5.根据权利要求1所述的激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，其特征在于，所述等离子体通道沿驱动激光脉冲传播方向的长度范围为3～8厘米。
6.一种激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的方法，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的激光等离子体产生贝塞尔太赫兹脉冲辐射的系统，包括如下步骤：
步骤1：产生驱动激光脉冲；
步骤2：调制聚焦驱动激光脉冲光束；
步骤3：产生气体靶（8），气体靶（8）和调制聚焦后的驱动激光脉冲相互作用形成等离子体通道，等离子体通道内偶极子阵列振荡产生具有贝塞尔模式的太赫兹脉冲辐射。
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