CN114389125B - 圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法，系统包括依次设置在光路上的激光器、第一分光镜、光参量放大器、第一反射镜、第一反射式空间光调制器、二分之一波片、第一聚焦透镜、BBO晶体、第一离轴抛物面反射镜、第二分光镜、第二反射镜、第二反射式空间光调制器、第三反射镜、第一电动平移装置、第四反射镜及空气等离子体，通过两个适用于不同波长的反射式空间光调制器分别将两束激光由高斯光束转变为圆艾里光束，再经过BBO晶体产生第三频率激光，使圆艾里三色场激光共同聚焦在一点以激发空气等离子体产生太赫兹波。本发明产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于太赫兹辐射源应用和光谱测量，具有较强的科研及实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波和飞秒激光技术领域，具体而言，涉及一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法，更具体地为圆艾里三色场激光光束聚焦空气成丝产生太赫兹波的系统和方法。
背景技术
空气作为太赫兹波的产生介质，具有无损伤阈值，可循环使用等优势，并且产生的太赫兹波脉宽短、峰值强度高(电场强度可达21MV/cm)、频谱范围覆盖宽(最高达到200THz)，使得将超短激光脉冲聚焦在空气中直接产生太赫兹波的技术在近年来得到了广泛的关注。在以往的研究中，波长为800nm及1200-2400nm的单色场或双色场(基频波及其二次谐波)聚焦激发空气等离子体产生太赫兹波已获得了充分全面的研究，取得了不错的研究进展，并且不断向高太赫兹产生效率方向发展。
相比之下，三色场和多色场特殊激光激发空气等离子体产生太赫兹波的研究目前尚处于起步阶段。已有研究表明，三色场激光由于可以控制其频率、相位、偏振组合，从而优化空气等离子体中的自由电子轨迹，使电子漂移速度增大，从而增强太赫兹辐射强度和转换效率。此外，无论是双色场还是三色场泵浦激光，目前的研究中所使用的飞秒激光普遍为高斯型激光，而高斯型激光在传播过程中会发生自衍射现象，从而降低其聚焦后的峰值能量，而这一参数对太赫兹波的产生有着直接的影响。近年来，人们对艾里光束等特殊光束开启了卓有成效的研究。艾里光束为无衍射光束，即与传播方向垂直的任一横截面的光强分布函数在传输过程中保持不变，可解决传统高斯型激光在传播过程中发生的自衍射效应，在构建自聚焦光束、光子弹和大气传输等方面均具有良好的应用前景。已有研究表明，将高斯型激光转换为圆艾里和贝塞尔光束等自聚焦激光，进行双色场产生太赫兹波的实验，发现使用自聚焦光束可提高激光聚焦时的峰值功率密度，显著提高太赫兹波的产生效率，其产生的太赫兹波能量最高可比高斯光束高一个数量级。因此，由艾里光束构建的自聚焦光束具有产生强太赫兹波的潜力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法，通过三色场飞秒激光激发空气等离子体产生太赫兹波，利用长波长红外飞秒激光(1200nm-2400nm)、其通过BBO晶体产生的二次谐波以及加上另外一束800nm或者400nm的近红外飞秒激光这三束频率不同的激光来共聚焦电离空气形成空气等离子体，从而向外辐射出强场太赫兹波，用以获得更高功率的太赫兹源。
为达到上述目的，本发明提供了一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、第一分光镜、光参量放大器、第一反射镜、第一反射式空间光调制器、二分之一波片、第一聚焦透镜、BBO晶体、第一离轴抛物面反射镜、第二分光镜、第二反射镜、第二反射式空间光调制器、第三反射镜、第一电动平移装置、第四反射镜以及空气等离子体，其中：
所述激光器发射波长为800nm的飞秒激光，800nm的飞秒激光经所述第一分光镜分光后得到第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述光参量放大器后输出波长为1500nm的信号光，波长为1500nm的信号光经过所述第一反射镜反射至所述第一反射式空间光调制器，且经过所述第一反射式空间光调制器的相位调制后由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，其中，所述第一反射式空间光调制器的入射光束和反射光束的夹角为小于10度；由所述第一反射式空间光调制器反射出的圆艾里型能量分布光束依次经过所述二分之一波片改变偏振方向、经过所述第一聚焦透镜聚焦以及经过所述BBO晶体后，一部分信号光波长不变另一部分信号光转换为波长为750nm的二次谐波激光，且波长为1500nm的信号光和波长为750nm的二次谐波激光共线共焦入射至所述第一离轴抛物面反射镜背面的小孔；
所述第二光束经过所述第二分光镜分光后得到第二分光和第三分光，所述第二分光经过所述第二反射镜反射到所述第二反射式空间光调制器，经过所述第二反射式空间光调制器的相位调制后波长为800nm的第二分光由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，并以小于10度的角度反射，之后经过所述第三反射镜反射进入所述第一电动平移装置，由所述第一电动平移装置出射的激光经所述第四反射镜反射后入射至所述第一离轴抛物面反射镜；
经由所述第一离轴抛物面反射镜射出的波长为1500nm的信号光、波长为750nm的二次谐波激光以及波长为800nm的激光共同聚焦形成圆艾里三色场激光，并激发所述空气等离子体以产生太赫兹光束；
其中，由所述第一电动平移装置射出的波长为800nm的激光的偏振方向为水平偏振；从所述光参量放大器中出射的波长为1500nm的信号光的偏振方向为竖直偏振；所述二分之一波片将偏振方向为竖直偏振的1500nm信号光转换为水平偏振，与波长为800nm的激光偏振方向一致；波长为750nm的二次谐波激光的偏振方向与水平方向呈45度夹角。
在本发明一实施例中，其中，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒激光放大器。
在本发明一实施例中，其中，还包括一太赫兹时域光谱检测装置，其在光路上包括斩波器、第二离轴抛物面反射镜、太赫兹滤波片、第三离轴抛物面反射镜、第五反射镜、第二电动平移装置、第六反射镜、第七反射镜、第二聚焦透镜、碲化锌晶体、四分之一波片、第三聚焦透镜、沃拉斯顿棱镜以及双眼光电二极管平衡探头，其中：
由圆艾里三色场激光激发所述空气等离子体产生的太赫兹光束经过所述斩波器入射至所述第二离轴抛物面反射镜，经由所述第二离轴抛物面反射镜反射后再经过所述太赫兹滤波片入射至所述第三离轴抛物面反射镜；
所述第二分光镜分光出的所述第三分光作为探测激光，所述探测激光通过所述第五反射镜反射进所述第二电动平移装置，经由所述第二电动平移装置反射后依次经过所述第六反射镜、所述第七反射镜及所述第二聚焦透镜入射至所述第三离轴抛物面反射镜背面的小孔；
所述太赫兹光束经过所述第三离轴抛物面反射镜聚焦后与所述探测激光共焦点入射至所述碲化锌晶体，之后依次经过所述四分之一波片和所述第三聚焦透镜入射到所述沃拉斯顿棱镜并分为两束偏振方向互相垂直的光束，且两束偏振方向互相垂直的光束分别聚焦入射到所述双眼光电二极管平衡探头的两个探头中，以探测两束光束的差分信号，从而获得太赫兹波的强度信号；
其中，频率为800nm的所述探测激光探测到所述太赫兹光束对所述碲化锌晶体的作用，从而在透射所述碲化锌晶体的过程中分别在所述碲化锌晶体的e轴和o轴方向获得不同的传播速度。
在本发明一实施例中，其中，所述太赫兹时域光谱检测装置采用太赫兹波电光采样探测方法对太赫兹时域光谱进行探测。
在本发明一实施例中，其中，所述斩波器的频率为180Hz。
在本发明一实施例中，其中，所述第一反射式空间光调制器为适用于1500nm波长的反射式空间光调制器，所述第二反射式空间光调制器为适用于800nm波长的反射式空间光调制器。
在本发明一实施例中，其中，所述第一反射式空间光调制器和所述第二反射式空间光调制器均为通过软件控制改变其相位调制模板，从而将光束从高斯型分布改变为圆艾里分布，其中，通过控制圆艾里分布的光束的中心圆半径来调制光束的能量分布。
为达到上述目的，本发明还提供了一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的方法，其包括以下步骤：
步骤S1：利用一激光器发射出一波长为800nm的飞秒激光，800nm的激光经分光镜分光后，一部分800nm的激光经过一光参量放大器后输出波长为1500nm的信号光，剩余的800nm激光经过第二反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S2：波长为1500nm的信号光经过第一反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S3：将步骤S1中转变为圆艾里光束的800nm激光经过一电动平移台后由一离轴抛物面反射镜反射聚焦；
步骤S4：将步骤S2中转变为圆艾里光束的1500nm激光经过一半波片改变其偏振方向，之后入射进一聚焦透镜进行光束聚焦，并在聚焦光路上设置一BBO晶体使光束中的一部分产生二次谐波的750nm激光，再将1500nm激光和750nm激光共同传播并从步骤S3中聚焦800nm激光的抛物面镜后的小孔入射，与800nm激光共同聚焦于一空气等离子体上，从而向外辐射出太赫兹波。
本发明的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法，通过利用两个适用于不同波长飞秒激光的反射式空间光调制器分别将两束激光由高斯光束转变为圆艾里光束，再经过一个BBO晶体产生第三频率激光，使圆艾里三色场激光共同聚焦在一点以激发空气等离子体产生太赫兹波。相较于双色场及三色场高斯光束产生太赫兹波的传统方式，本发明具有更大的太赫兹波辐射强度，进而能够获得更高功率的太赫兹源。通过本发明产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于太赫兹辐射源应用和光谱测量，具有较强的科研及实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统的结构示意图；
图2为仿真得出的相同入射能量下的圆艾里三色场激光和高斯型三色场激光产生太赫兹波的频谱图。
附图标记说明：1-激光器；2-第一分光镜；3-光参量放大器；4-第一反射镜；5-第一反射式空间光调制器；6-二分之一波片；7-第一聚焦透镜；8-BBO晶体；9-第一离轴抛物面反射镜；10-第二分光镜；11-第二反射镜；12-第二反射式空间光调制器；13-第三反射镜；14-第一电动平移装置；15-第四反射镜；16-斩波器；17-第二离轴抛物面反射镜；18-太赫兹滤波片；19-第三离轴抛物面反射镜；20-第五反射镜；21-第二离轴抛物面反射镜；22-第六反射镜；23-第七反射镜；24-第二聚焦透镜；25-碲化锌晶体；26-四分之一波片；27-第三聚焦透镜；28-沃拉斯顿棱镜；29-双眼光电二极管平衡探头；A-太赫兹时域光谱检测装置；T-空气等离子体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实验和理论均证实，三色场激光相对于传统的双色场激光结构能产生更强的太赫兹辐射，增大其太赫兹转换效率，并对太赫兹光谱分布和中心频率移动也有调制作用，可以用于有特定太赫兹频谱分布或频谱变化的应用场合(参考文献：D.Ma et al.Enhancementof terahertz waves from two-color laser-field induced air plasma excitedusing a third-color femtosecond laser,Opt.Express 28(2020)20598)。
在从激光诱导等离子体中寻找更强的太赫兹波发射的研究中，研究人员已经探索了各种激发波长和气体介质，而对人工调制的特殊横截面能量分布的泵浦光束的尝试却很少。有研究证明，在相同条件下，突然自聚焦艾里光束双色场诱导的空气等离子体比普通高斯光束诱导的等离子体能提高5.3倍的太赫兹波脉冲能量输出(参考文献：Kang Liu etal.Enhanced terahertz wave emission from air-plasma tailored by abruptlyautofocusing laser beams,Optica 3(2016)605)。并且相对于高斯光束，圆艾里光束产生的太赫兹波的低频分量强度更高，这对需要强场低频太赫兹波的应用场合具有重要应用意义。
因此，可以用一个归一化的傍轴衍射方程来近似圆艾里光束的横截面能量分布
其中，i为虚数单位，
代表求偏导，φ为电场包络；s＝x/x0代表光束横截面内一个无量纲的横向系数，x0为圆艾里光横截面的一任意横向尺度，x为圆艾里光横截面上一点距中心点的半径距离；/>
为光束归一化传播距离，z为光束在传播方向的传播距离，k为激光波数，且k＝2πb/λ0，n为激光在空气中的折射率，λ0为激光的波长。
通过引入衰减因子a(a＜＜1)直接对公式(1)进行积分，可以得到有限能量解
其傅里叶变换为Φ0(k)∝exp(-ak2)exp(ik3/3)，在公式(2)中Ai代表艾里光强度分布。从该方程可以推导出艾里光束横截面的傅里叶角谱是高斯型分布的，并且涉及由艾里函数本身的傅里叶变换产生的立方相位(k3)，因此，可以通过在反射式空间光调制器中引入特定的相位图将高斯激光转换为圆艾里自聚焦激光：
其中，r为圆艾里光束横截面任一位置的半径，C为正常数，由此，可以在实验当中获得有限能量解的圆艾里光束。
当三色场圆艾里激光共同聚焦在一点，其在焦点处的叠加泵浦激光公式可以表示为
其中，ω1、ω2和ω3分别为1500nm、750nm、800nm激光的角频率，
及/>
分别为1500nm、750nm、800nm激光在焦点处的电场强度，/>
θ、φ为三束激光在等离子体丝中各个位置的相位值，t为时间。
等离子体丝当中的电流密度J可以由公式(5)表示为
其中，q为电子电荷，m为电子质量，ρ为等离子体中电子密度，tτ为电流碰撞速率，则三色场圆艾里激光产生的太赫兹电场强度和太赫兹能量为
其中dt为对时间的积分。
图1为本发明提供的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统的结构示意图，如图1所示，在前述理论基础上，本实施例提供一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器(1)、第一分光镜(2)、光参量放大器(3)、第一反射镜(4)、第一反射式空间光调制器(5)、二分之一波片(6)、第一聚焦透镜(7)、BBO晶体(8)(偏硼酸钡晶体，是一种综合优势明显，性能良好的晶体)、第一离轴抛物面反射镜(9)、第二分光镜(10)、第二反射镜(11)、第二反射式空间光调制器(12)、第三反射镜(13)、第一电动平移装置(14)、第四反射镜(15)以及空气等离子体(T)，其中：
激光器(1)发射波长为800nm的飞秒激光，800nm的飞秒激光经第一分光镜(2)分光后得到第一光束和第二光束；
所述第一光束经过光参量放大器(3)后输出波长为1500nm的信号光，波长为1500nm的信号光经过第一反射镜(4)反射至第一反射式空间光调制器(5)，经过第一反射式空间光调制器(5)的相位调制后由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，其中，第一反射式空间光调制器(5)的入射光束和反射光束的夹角为小于10度；之后由第一反射式空间光调制器(5)反射出的圆艾里型能量分布光束依次经过二分之一波片(6)改变偏振方向、经过第一聚焦透镜(7)聚焦以及经过BBO晶体(8)后，一部分信号光波长不变另一部分信号光转换为波长为750nm的二次谐波激光(脉冲信号)，且波长为1500nm的信号光和波长为750nm的二次谐波激光共线共焦入射至第一离轴抛物面反射镜(9)背面的小孔；
所述第二光束经过第二分光镜(10)分光后得到第二分光和第三分光，所述第二分光经过第二反射镜(11)反射到第二反射式空间光调制器(12)，经过第二反射式空间光调制器(12)的相位调制后将波长为800nm的第二分光由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，并以小于10度的角度反射，之后经过第三反射镜(13)反射进入第一电动平移装置(14)，由第一电动平移装置(14)出射的激光经第四反射镜(15)反射后入射至第一离轴抛物面反射镜(9)；
经由第一离轴抛物面反射镜(9)射出的波长为1500nm的信号光、波长为750nm的二次谐波激光以及波长为800nm的激光共同聚焦形成圆艾里三色场激光，并激发空气等离子体(T)以产生太赫兹光束；
其中，由第一电动平移装置(14)射出的波长为800nm的激光的偏振方向为水平偏振；从光参量放大器(3)中出射的波长为1500nm的信号光的偏振方向为竖直偏振；二分之一波片(6)将偏振方向为竖直偏振的1500nm信号光转换为水平偏振，与波长为800nm的激光偏振方向一致；波长为750nm的二次谐波激光的偏振方向与水平方向呈45度夹角。
在本实施例中，其中，所述激光器(1)为掺钛蓝宝石飞秒激光放大器，例如可选用美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光放大器Spitfire。
在本实施例中，其中，如图1所示，还包括一太赫兹时域光谱检测装置(A)，其在光路上包括斩波器(16)、第二离轴抛物面反射镜(17)、太赫兹(THz)滤波片(18)、第三离轴抛物面反射镜(19)、第五反射镜(20)、第二电动平移装置(21)、第六反射镜(22)、第七反射镜(23)、第二聚焦透镜(24)、碲化锌晶体(25)、四分之一波片(26)、第三聚焦透镜(27)、沃拉斯顿棱镜(28)以及双眼光电二极管平衡探头(29)，其中：
由第一离轴抛物面反射镜(9)射出的圆艾里三色场激光激发空气等离子体(T)所产生的太赫兹光束经过斩波器(16)入射至第二离轴抛物面反射镜(17)，经由第二离轴抛物面反射镜(17)反射后再经过太赫兹滤波片(18)入射至第三离轴抛物面反射镜(19)；
将第二分光镜(10)分光出的所述第三分光(为微弱800nm飞秒激光)作为探测激光，所述探测激光通过第五反射镜(20)反射进第二电动平移装置(21)，经由第二电动平移装置(21)反射后依次经过第六反射镜(22)、第七反射镜(23)及第二聚焦透镜(24)入射至第三离轴抛物面反射镜(19)背面的小孔；
所述太赫兹光束经过第三离轴抛物面反射镜(19)聚焦后与所述探测激光共焦点入射至碲化锌晶体(25)，之后依次经过四分之一波片(26)和第三聚焦透镜(27)入射到沃拉斯顿棱镜(28)并分为两束偏振方向互相垂直的光束，最后两束偏振方向互相垂直的光束分别聚焦入射到双眼光电二极管平衡探头(29)的两个探头中，以探测两束光束的差分信号，从而获得太赫兹波的强度信号；
其中，频率为800nm的所述探测激光探测到所述太赫兹光束对碲化锌晶体(25)的作用，从而在透射碲化锌晶体(25)的过程中分别在碲化锌晶体(25)的e轴和o轴方向获得不同的传播速度。
其中，由于激光器(1)发出的波长为800nm的激光偏振方向为水平偏振，从光参量放大器(3)中出射的波长为1500nm的信号光的偏振方向为竖直偏振，故利用二分之一波片(6)将1500nm波长的信号光转变为水平偏振。BBO晶体(8)产生的波长为750nm二次谐波激光的偏振方向与BBO晶体(8)的e轴方向相同，因此，通过实验可得，当BBO晶体(8)的e轴方向与作为基频波的1500nm信号光偏振方向夹角为45度时，基频波(1500nm信号光)及其二次谐波激光(750nm激光)双色场所产生的太赫兹强度最强。故在本实施例中将BBO晶体(8)的e轴方向设置成与水平方向夹角45度，从而使得1500nm与800nm激光的偏振方向一致为水平方向，而二次谐波750nm激光偏振方向为与水平方向45度夹角，以此来获得最佳的太赫兹输出。
由于图1中，第一电动平移装置(14)、第二电动平移装置(21)中的主要部件均为两个相互垂直的反射镜，因此其中一个反射镜的镜面与入射光束呈45度，且与另一反射镜垂直，从而使出射光束与入射光束平行，图1中所示的箭头方向为第一电动平移装置(14)、第二电动平移装置(21)的移动方向，通过沿箭头方向移动以改变光程。
在本实施例中，太赫兹时域光谱检测装置(A)采用了太赫兹波电光采样探测方法对太赫兹时域光谱进行探测，其中，太赫兹波强度探测器选用双眼光电二极管平衡探头(29)，斩波器(16)的频率可以为180Hz，用于调制太赫兹波的脉冲，从而提高探测精度和信噪比。
本实施例的第一反射式空间光调制器(5)和第二反射式空间光调制器(12)的入射光与反射光的夹角均需小于10度，其中，第一反射式空间光调制器(5)需适用于1500nm波长飞秒激光，第二反射式空间光调制器(12)需适用于800nm飞秒激光。第一反射式空间光调制器(5)和第二反射式空间光调制器(12)均可通过软件控制改变其相位调制模板，从而将光束从高斯型分布改变为圆艾里分布，其中，通过控制圆艾里分布的光束的中心圆半径来调制光束的能量分布。
在本实施例中，第一聚焦透镜(7)可以采用对1500nm激光透过率比较高的石英材质透镜，第二聚焦透镜(24)和第三聚焦透镜(27)可以采用对800nm激光透过率比较高的石英材质透镜。第一反射镜(4)可以采用对1500nm激光高反的金属镜，第二反射镜(11)、第三反射镜(13)、第四反射镜(15)、第五反射镜(20)、第六反射镜(22)和第七反射镜(23)可以采用对800nm波长激光高反的金属镜。当从分光镜(2)至第一离轴抛物面反射镜(9)后三色场激光的共焦点之间的三色场激光光程一致时，即可效率最高的向外辐射强太赫兹波；当从激光器(1)至碲化锌晶体(25)之间太赫兹光束产生光路和800nm探测激光光路的光程一致时，才能最真实地探测到太赫兹强度最大值。并且本实施例还通过控制太赫兹光束与探测激光之间的时间延迟来测量太赫兹时域信号，将该信号进行傅里叶变换即可得到太赫兹频谱分布。
本发明另一实施例还提供了一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的方法，其通过前述系统实现，具体包括以下步骤：
步骤S1：利用一激光器发射出一波长为800nm的飞秒激光，800nm的激光经分光镜分光后，一部分800nm的激光经过一光参量放大器后输出波长为1500nm的信号光，剩余的800nm激光经过第二反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S2：波长为1500nm的信号光经过第一反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S3：将步骤S1中转变为圆艾里光束的800nm激光经过一电动平移台后由一离轴抛物面反射镜反射聚焦；
步骤S4：将步骤S2中转变为圆艾里光束的1500nm激光经过一半波片改变其偏振方向，之后入射进一聚焦透镜进行光束聚焦，并在聚焦光路上设置一BBO晶体使光束中的一部分产生二次谐波的750nm激光，再将1500nm激光和750nm激光共同传播并从步骤S3中聚焦800nm激光的抛物面镜后的小孔入射，与800nm激光共同聚焦于一空气等离子体上，从而向外辐射出太赫兹波。
图2为仿真得出的相同入射能量下的圆艾里三色场激光和高斯型三色场激光产生太赫兹波的频谱图，如图2所示，利用图1所示的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统进行实验仿真，可以得出同等入射条件下的三色场圆艾里激光与三色场高斯激光激发空气等离子体产生太赫兹波的归一化频谱图，其中，从图中可以看出三色场圆艾里激光所产生的太赫兹强度高于三色场高斯激光所产生的太赫兹强度，即三色场圆艾里激光可以产生更强的太赫兹波输出。
本发明的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统和方法，通过利用两个适用于不同波长飞秒激光的反射式空间光调制器分别将两束激光由高斯光束转变为圆艾里型的无衍射自聚焦光束，再经过一个BBO晶体产生第三频率激光，使三色场圆艾里激光共同聚焦在一点以激发空气等离子体产生太赫兹波。相较于双色场及三色场高斯光束产生太赫兹波的传统方式，本发明具有更大的太赫兹波辐射强度，进而能够获得更高功率的太赫兹源。本发明产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于太赫兹辐射源应用和光谱测量，具有较强的科研及实际应用价值。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，包括依次设置在光路上的激光器、第一分光镜、光参量放大器、第一反射镜、第一反射式空间光调制器、二分之一波片、第一聚焦透镜、BBO晶体、第一离轴抛物面反射镜、第二分光镜、第二反射镜、第二反射式空间光调制器、第三反射镜、第一电动平移装置、第四反射镜以及空气等离子体，其中：
所述激光器发射波长为800nm的飞秒激光，800nm的飞秒激光经所述第一分光镜分光后得到第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述光参量放大器后输出波长为1500nm的信号光，波长为1500nm的信号光经过所述第一反射镜反射至所述第一反射式空间光调制器，且经过所述第一反射式空间光调制器的相位调制后由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，其中，所述第一反射式空间光调制器的入射光束和反射光束的夹角为小于10度；由所述第一反射式空间光调制器反射出的圆艾里型能量分布光束依次经过所述二分之一波片改变偏振方向、经过所述第一聚焦透镜聚焦以及经过所述BBO晶体后，一部分信号光波长不变依然为1500nm，另一部分信号光转换为波长为750nm的二次谐波激光，且波长为1500nm的信号光和波长为750nm的二次谐波激光共线共焦入射至所述第一离轴抛物面反射镜背面的小孔；
所述第二光束经过所述第二分光镜分光后得到第二分光和第三分光，所述第二分光经过所述第二反射镜反射到所述第二反射式空间光调制器，经过所述第二反射式空间光调制器的相位调制后波长为800nm的第二分光由高斯型光束转变为圆艾里型能量分布光束，并以小于10度的角度反射，之后经过所述第三反射镜反射进入所述第一电动平移装置，由所述第一电动平移装置出射的激光经所述第四反射镜反射后入射至所述第一离轴抛物面反射镜；
经由所述第一离轴抛物面反射镜射出的波长为1500nm的信号光、波长为750nm的二次谐波激光以及波长为800nm的激光共同聚焦形成圆艾里三色场激光，并激发所述空气等离子体以产生太赫兹光束；
其中，由所述第一电动平移装置射出的波长为800nm的激光的偏振方向为水平偏振；从所述光参量放大器中出射的波长为1500nm的信号光的偏振方向为竖直偏振；所述二分之一波片将偏振方向为竖直偏振的1500nm信号光转换为水平偏振，与波长为800nm的激光偏振方向一致；波长为750nm的二次谐波激光的偏振方向与水平方向呈45度夹角。
2.根据权利要求1所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒激光放大器。
3.根据权利要求1所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，还包括一太赫兹时域光谱检测装置，其在光路上包括斩波器、第二离轴抛物面反射镜、太赫兹滤波片、第三离轴抛物面反射镜、第五反射镜、第二电动平移装置、第六反射镜、第七反射镜、第二聚焦透镜、碲化锌晶体、四分之一波片、第三聚焦透镜、沃拉斯顿棱镜以及双眼光电二极管平衡探头，其中：
由圆艾里三色场激光激发所述空气等离子体产生的太赫兹光束经过所述斩波器入射至所述第二离轴抛物面反射镜，经由所述第二离轴抛物面反射镜反射后再经过所述太赫兹滤波片入射至所述第三离轴抛物面反射镜；
所述第二分光镜分光出的所述第三分光作为探测激光，所述探测激光通过所述第五反射镜反射进所述第二电动平移装置，经由所述第二电动平移装置反射后依次经过所述第六反射镜、所述第七反射镜及所述第二聚焦透镜入射至所述第三离轴抛物面反射镜背面的小孔；
所述太赫兹光束经过所述第三离轴抛物面反射镜聚焦后与所述探测激光共焦点入射至所述碲化锌晶体，之后依次经过所述四分之一波片和所述第三聚焦透镜入射到所述沃拉斯顿棱镜并分为两束偏振方向互相垂直的光束，且两束偏振方向互相垂直的光束分别聚焦入射到所述双眼光电二极管平衡探头的两个探头中，以探测两束光束的差分信号，从而获得太赫兹波的强度信号；
其中，波长为800nm的所述探测激光探测到所述太赫兹光束对所述碲化锌晶体的作用，从而在透射所述碲化锌晶体的过程中分别在所述碲化锌晶体的e轴和o轴方向获得不同的传播速度。
4.根据权利要求3所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹时域光谱检测装置采用太赫兹波电光采样探测方法对太赫兹时域光谱进行探测。
5.根据权利要求3或4所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述斩波器的频率为180Hz。
6.根据权利要求1所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述第一反射式空间光调制器为适用于1500nm波长的反射式空间光调制器，所述第二反射式空间光调制器为适用于800nm波长的反射式空间光调制器。
7.根据权利要求1所述的圆艾里三色场激光产生太赫兹波的系统，其特征在于，所述第一反射式空间光调制器和所述第二反射式空间光调制器均为通过软件控制改变其相位调制模板，从而将光束从高斯型分布改变为圆艾里分布，其中，通过控制圆艾里分布的光束的中心圆半径来调制光束的能量分布。
8.一种圆艾里三色场激光产生太赫兹波的方法，通过权利要求1～7任一项实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：利用一激光器发射出一波长为800nm的飞秒激光，800nm的激光经分光镜分光后，一部分800nm的激光经过一光参量放大器后输出波长为1500nm的信号光，剩余的800nm激光经过第二反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S2：波长为1500nm的信号光经过第一反射式空间光调制器将原本的高斯型光束转变为圆艾里光束；
步骤S3：将步骤S1中转变为圆艾里光束的800nm激光经过一电动平移台后由一离轴抛物面反射镜反射聚焦；
步骤S4：将步骤S2中转变为圆艾里光束的1500nm激光经过一半波片改变其偏振方向，之后入射进一聚焦透镜进行光束聚焦，并在聚焦光路上设置一BBO晶体使光束中的一部分产生二次谐波的750nm激光，再将1500nm激光和750nm激光共同传播并从步骤S3中聚焦800nm激光的抛物面镜后的小孔入射，与800nm激光共同聚焦于一空气等离子体上，从而向外辐射出太赫兹波。
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