CN114243435B - 一种等离子体光子晶体激波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体光子晶体激波器，属于激光和微波技术领域，解决现有的大范围调谐电磁波输出以及激光器电光转换效率低，获得太赫兹波段的电磁波效率极低，功率有限等问题。本发明包括三维线圈A、第一加热控温系统、以及置于三维线圈A中的光泵浦、偏振分束器、含碱金属和缓冲气体的第一碱金属气室、反射镜和耦合镜；或包括三维线圈B、第二加热控温系统、以及置于三维线圈B中的电泵浦、含碱金属和缓冲气体的第二碱金属气室、设置在第二碱金属气室上的电极、第一电磁波谐振腔和第二电磁波谐振腔。本发明用于产生超宽带电磁波和高功率激光等。

Description

一种等离子体光子晶体激波器
技术领域
一种等离子体光子晶体激波器，用于产生超宽带电磁波、大范围调谐电磁波、高功率激光、高转换效率大功率太赫兹波等，属于激光和微波技术领域。
背景技术
现有的激光器如半导体光子晶体激光器等，属于固体激光器，一般工作在可见光或者红外波段，可调谐范围窄，存在如下技术问题:
1.电光转换效率低，且固体激光器一旦构建，频率、带宽等性能基本不变；
2.获得太赫兹波段的电磁波效率极低，功率有限；
3.大范围调谐激光器频带不够宽；4.获得超宽带电磁波带宽不够，功率不够高、效率较低。
发明内容
针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种等离子体光子晶体激波器，解决现有技术中的固体激光器电光转换效率低，频率、带宽等性能基本不变，获得太赫兹波段的电磁波效率极低，功率有限、大范围调谐激光器频带不够宽以及超宽带电磁波带宽不够，功率不够高、效率较低等问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种等离子体光子晶体激波器，包括三维线圈A、第一加热控温系统、以及置于三维线圈A中的光泵浦、偏振分束器、含碱金属和缓冲气体的第一碱金属气室、反射镜和耦合镜，其中，第一碱金属气室中的碱金属和缓冲气体在第一加热控温系统的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈A的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
光泵浦发出的泵浦光通过偏振分束器进入第一碱金属气室进行泵浦后，产生的激光通过反射镜返回第一碱金属气室继续放大，使偏振方向为O光的激光通过偏振分束器、再通过耦合镜进行输出；
或包括三维线圈B、第二加热控温系统、以及置于三维线圈B中的电泵浦、含碱金属和缓冲气体的第二碱金属气室、设置在第二碱金属气室上可施加上下电压的电极、第一电磁波谐振腔和第二电磁波谐振腔，其中，第二碱金属气室中的碱金属和缓冲气体在第二加热控温系统的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈B的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
电泵浦在第二碱金属气室上下施加一电场在碱金属气体和惰性气体形成的等离子体光子晶体中泵浦后产生电磁波后，通过第一电磁波谐振腔返回第二碱金属气室继续放大，最后高功率电磁波通过第二电磁波谐振腔输出。
进一步，所述光泵浦、偏振分束器、第一碱金属气室、反射镜和耦合镜形成的结构A置于三维线圈A的中心；
电泵浦、第二碱金属气室、电极、第一电磁波谐振腔和第二电磁波谐振腔形成的结构B置于三维线圈B中心。
进一步，所述电极设置在第二碱金属气室的上表面和下表面上。
进一步，所述第一加热控温系统设置在第一碱金属气室的侧面或底部；
所述第二加热控温系统设置在第二碱金属气室的侧面。
进一步，所述第一加热控温系统包括对第一碱金属气室进行加热的第一加热膜和根据设定温度控制给第一加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第一碱金属气室进行控温的第一控温系统；
所述第二加热控温系统包括对第二碱金属气室进行加热的第二加热膜和根据设定温度控制给第二加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第二碱金属气室进行控温的第二控温系统。
进一步，所述碱金属为锂、钠、钾、铷或铯中的一种或多种。
进一步，所述缓冲气体为氦、氮或氖中的一种或多种。
进一步，所述光泵浦发出的泵浦光为圆偏振或者线偏振。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
一、本发明的等离子体光子晶体激波器，是利用物质的第四态—等离子体，即碱金属和缓冲气体在温度、磁场作用下形成等离子体光子晶体，可以宽范围的调谐，根据需要通过改变温度、磁场、等离子体密度即可得到微波到光波波长的电磁波输出，且具有更高的电光转换效率，是获得高功率电磁波(微波、激光)的有效解决方案；
二、本发明可以通过等离子体密度的改变、磁场的调制，形成对应参数的等离子体光子晶体，并高效的泵浦输出太赫兹波段的激光；
三、本发明可用于产生超宽带电磁波、长波红外激光等，在高能微波、高能激光、量子传感、新波段射线等具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中结构A的结构示意图；
图2为本发明中结构A置于三维线圈A的示意图，其中，在X、Y、Z方向上各有两组线圈；
图3为本发明中碱金属原子的三能级结构示意图；
图4为本发明中结构B的结构示意图；
图5为本发明中结构B置于三维线圈B的示意图，其中，在X、Y、Z方向上各有两组线圈；
图中：1-光泵浦、2-偏振分束器、3-第一碱金属气室、4-反射镜、5-耦合镜、6-电泵浦、7-第二碱金属气室、8-第一电磁波谐振腔、9-第二电磁波谐振腔、10-三维线圈A、11-第一加热控温系统、12-第二加热控温系统、13-三维线圈B、14-结构A、15-结构B、16-电极。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
第一、第二、A、B在本案中起标识或区分的作用。
本案中的等离子体光子晶体激波器，由于可以通过外加磁场、选择合适的等离子体密度等控制离子体光子晶体的带隙结构等，从而可以构成激波器，由于可以人为构建不同的带隙结构，产生电磁波的波谱范围不止限于激光波段，因此可以称为激波器，其构成的等离子体光子晶体激波器具有以下特点：可以产生极宽范围的可调谐的电磁波，可选择输出超宽带电磁波，可实现激光输出，太赫兹波输出甚至X射线输出，而且具有很高的转换效率。
方式一：
一种等离子体光子晶体激波器，包括三维线圈A10、第一加热控温系统11、电流源给三维线圈A10和第一加热控温系统11供电、以及置于三维线圈A10中的光泵浦1、偏振分束器2、含碱金属和缓冲气体的第一碱金属气室3、反射镜4和耦合镜5，其中，第一碱金属气室3中的碱金属和缓冲气体在第一加热控温系统11的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈A10的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
光泵浦1发出的泵浦光通过偏振分束器2进入第一碱金属气室3进行泵浦后，产生的激光通过反射镜4返回第一碱金属气室3继续放大，使偏振方向为O光的激光通过偏振分束器2、再通过耦合镜5进行输出；如770nm的泵浦光，其可以是圆偏振或者线偏振，通过偏振分束器进入第一碱金属气室对碱金属蒸汽和惰性气体形成的等离子体光子晶体进行泵浦，产生795nm的激光通过反射镜返回第一碱金属气室继续放大，只有偏振方向为O光的激光通过偏振分束器(PBS)再到耦合镜输出。由于泵浦光与产生的激光波长相近，因此量子效率较高，是作为激光武器光源的最佳选择。
光泵浦1、偏振分束器2、第一碱金属气室3、反射镜4和耦合镜5形成的结构A14置于三维线圈A10的中心。第一加热控温系统11包括对第一碱金属气室3进行加热的第一加热膜和根据设定温度控制给第一加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第一碱金属气室3进行控温的第一控温系统。
碱金属的原子有：锂、钠、钾、铷和铯等，都具有相似的最外层价电子能级结构。与经典粒子不同，在量子力学系统中，原子中的电子被束缚在某些特定离散的能量值空间上，这些离散值就是能级。因此我们可以在原子的特定能级中发现电子，碱金属最外层只有一个电子占据基态能级，但其核外仍有未被电子填充的能级，如图3中S1/2是基态能级，P1/2、P3/2是电子自旋-轨道作用产生的精细结构能级。泵浦光将基态碱金属的原子激发到P3/2能级，经过P3/2→P1/2的光学禁戒跃迁实现粒子数转移，这个过程需要填充高压缓冲气体(He、Ne等)来增加碰撞弛豫。当功率水平较低时，三能级(S1/2、P1/2、P3/2)速率方程模型与实验数据取得了较好的吻合，即在低功率时可以忽略高能级和电离效应。但是随着功率水平的进一步提升，P3/2和P1/2能级的碱金属的原子就会通过碰撞能量转移、光激发、潘宁电离和光电离等过程，从而形成等离子体，再通过第一加热控温系统以及三维线圈A产生磁场的调制下，形成等离子体光子晶体，P1/2能态的粒子回到基态，同时释放出光子产生所需波段的激光。
可直接应用于高功率激光器的研制，如果在外增加一磁屏蔽系统，在产生激光的过程中，Rb原子回到基态的S1/2能级，即Rb被极化，再与Ne进行碰撞，进而使其超极化，在弱磁状态下，进入SERF态(无自旋交换弛豫，Spin-Exchange Re l axat ion-Free)，这时K、Rb原子能够敏感载体的转动，通过检测系统(光电检测系统，如：光功率计或者PD光电二极管)可应用于原子陀螺仪。
方式二：
一种等离子体光子晶体激波器，包括三维线圈B13、第二加热控温系统12、电流源给三维线圈B13和第二加热控温系统12供电、以及置于三维线圈B13中的电泵浦6、含碱金属和缓冲气体的第二碱金属气室7、设置在第二碱金属气室7上可施加上下电压的电极16、第一电磁波谐振腔8和第二电磁波谐振腔9，其中，第二碱金属气室7中的碱金属和缓冲气体在第二加热控温系统12的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈B13的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
电泵浦6在第二碱金属气室7上下施加一电场在碱金属气体和惰性气体形成的等离子体光子晶体中泵浦后产生电磁波后，通过第一电磁波谐振腔8返回第二碱金属气室7继续放大，最后高功率电磁波通过第二电磁波谐振腔9输出。
电泵浦6、第二碱金属气室7、电极16、第一电磁波谐振腔8和第二电磁波谐振腔9形成的结构B15置于三维线圈B13中心；电极16设置在第二碱金属气室7的上表面和下表面上。第二加热控温系统12设置在第二碱金属气室7的侧面；第二加热控温系统12包括对第二碱金属气室7进行加热的第二加热膜和根据设定温度控制给第二加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第二碱金属气室7进行控温的第二控温系统。
碱金属气室里的K、Rb和缓冲气体He、Ne等在高温和磁场作用下形成等离子体光子晶体，形成一定的带隙结构，在电极施加电压情况下，电子做加速运动，形成电磁波的辐射，在等离子体光子晶体以及电磁波谐振腔的共同作用下，电磁波被放大并从输出端输出，由于等离子体光子晶体实际上是一种可人为调制的栅结构，所以可以产生需要波段的高功率电磁脉冲。可产生远红外、太赫兹波、微波以及超宽带电磁波等，而超宽带电磁波可用于冲击雷达实现对隐身目标的探测，也可作为高功率的电磁脉冲辐射器实现对无人机群、导弹等电子装备的干扰和毁伤。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：包括三维线圈A(10)、第一加热控温系统(11)、以及置于三维线圈A(10)中的光泵浦(1)、偏振分束器(2)、含碱金属和缓冲气体的第一碱金属气室(3)、反射镜(4)和耦合镜(5)，其中，第一碱金属气室(3)中的碱金属和缓冲气体在第一加热控温系统(11)的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈A(10)的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
光泵浦(1)发出的泵浦光通过偏振分束器(2)进入第一碱金属气室(3)进行泵浦后，产生的激光通过反射镜(4)返回第一碱金属气室(3)继续放大，使偏振方向为O光的激光通过偏振分束器(2)、再通过耦合镜(5)进行输出；
或包括三维线圈B(13)、第二加热控温系统(12)、以及置于三维线圈B(13)中的电泵浦(6)、含碱金属和缓冲气体的第二碱金属气室(7)、设置在第二碱金属气室(7)上可施加上下电压的电极(16)、第一电磁波谐振腔(8)和第二电磁波谐振腔(9)，其中，第二碱金属气室(7)中的碱金属和缓冲气体在第二加热控温系统(12)的高温加热情况下形成等离子体，在三维线圈B(13)的磁场作用下形成了等离子体光子晶体；
电泵浦(6)在第二碱金属气室(7)上下施加一电场在碱金属气体和惰性气体形成的等离子体光子晶体中泵浦后产生电磁波后，通过第一电磁波谐振腔(8)返回第二碱金属气室(7)继续放大，最后高功率电磁波通过第二电磁波谐振腔(9)输出。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述光泵浦(1)、偏振分束器(2)、第一碱金属气室(3)、反射镜(4)和耦合镜(5)形成的结构A(14)置于三维线圈A(10)的中心；
电泵浦(6)、第二碱金属气室(7)、电极(16)、第一电磁波谐振腔(8)和第二电磁波谐振腔(9)形成的结构B(15)置于三维线圈B(13)中心。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述电极(16)设置在第二碱金属气室(7)的上表面和下表面上。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述第一加热控温系统(11)设置在第一碱金属气室(3)的侧面或底部；
所述第二加热控温系统(12)设置在第二碱金属气室(7)的侧面或底部。
5.根据权利要求4所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述第一加热控温系统(11)包括对第一碱金属气室(3)进行加热的第一加热膜和根据设定温度控制给第一加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第一碱金属气室(3)进行控温的第一控温系统；
所述第二加热控温系统(12)包括对第二碱金属气室(7)进行加热的第二加热膜和根据设定温度控制给第二加热膜供电的电流源的电流大小、通断来对第二碱金属气室(7)进行控温的第二控温系统。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述碱金属为锂、钠、钾、铷或铯中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述缓冲气体为氦、氮或氖中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一种等离子体光子晶体激波器，其特征在于：所述光泵浦(1)发出的泵浦光为圆偏振或者线偏振。
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