CN115276825A - 近场调控等离子体太赫兹源的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近场调控等离子体太赫兹源的方法及装置，准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生光丝，之后用抛物面镜对光丝辐射的太赫兹波进行收集，测得初始太赫兹时域、频域信号；若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置金属平板，会产生初始太赫兹时域信号的积分信号；若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置周期刻槽金属平板，会产生初始太赫兹频域信号的对应周期的频率处滤波后的信号。仅使用金属平板或刻槽平板，即可有效地调控等离子体太赫兹源辐射的太赫兹时域和频域信号，结构简单、成本低廉、空间尺寸较小，便于系统集成。本发明方法实现的太赫兹时域信号积分运算，对全光计算、光计算机等前沿领域发展有积极意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光物理领域，特别涉及一种近场调控等离子体太赫兹源的方法及装置。
背景技术
太赫兹波通常是指频率介于0.1THz-10 THz的电磁波，是位于远红外和微波之间的电磁波谱，它结合了光电子学、半导体学和材料学等多个学科，是目前人们正在极力研究开发的一个领域。
激光等离子体太赫兹源是一种重要的太赫兹波辐射方法，因其产生的太赫兹波具有强度高、频谱宽等优点。针对等离子体太赫兹源发射信号的调控技术非常重要，如在太赫兹通信领域，需要对太赫兹信号进行波分复用；在太赫兹成像领域，需要调节太赫兹波的偏振态；在全光计算领域，光信号的微积分运算是底层基础；在太赫兹生物检测领域，需要对特定频率的太赫兹频谱进行滤波，等等。
现有的太赫兹信号调控手段，如太赫兹分束器和耦合器、太赫兹偏振片和滤波片等，都需要在太赫兹源之后的太赫兹波传输光路中放置调控器件，不仅占用空间，且器件往往结构复杂，使得系统整体集成度低、操作不便。
发明内容
针对等离子体太赫兹源调控存在的问题，提出了一种近场调控等离子体太赫兹源的方法及装置，通过在等离子体光丝近场的空间平行位置放置金属平板或刻槽金属平板，实现对光丝产生的太赫兹波的时域和频域调控。
本发明的技术方案为：一种近场调控等离子体太赫兹源的方法，准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生光丝，之后用抛物面镜对光丝辐射的太赫兹波进行收集，测得太赫兹时域信号和太赫兹频域信号作为初始太赫兹时域信号和初始太赫兹频域信号；
若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置金属平板，此时测得的太赫兹时域信号为初始太赫兹时域信号的积分；
若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置周期刻槽金属平板，此时测得的太赫兹频域信号为对初始太赫兹频域信号的对应周期频率处滤波后信号，滤波频率由f＝c/2T决定，T为槽的周期长度，c＝3×108m/s为真空中的光速。
进一步，所述金属平板选择电导率大的金属材质，金属平板的大小大于光丝的轴截面。
进一步，所述金属平板为铜板，厚度为1mm。
进一步，所述近场区域为小于1THz波长范围内的近场区域。
进一步，所述周期刻槽金属平板选用铜板，槽的深度和宽度均在近场范围内。
一种近场调控等离子体太赫兹源的装置，包括激光器、透镜、抛物面镜以及金属平板，激光器输出准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生光丝，金属平板置于光丝的近场区域光丝光轴平行位置处，抛物面镜对光丝辐射的太赫兹波进行收集，所述金属平板的大小大于光丝的轴截面，用于对初始太赫兹时域信号的积分。
优选的，所述金属平板为周期刻槽金属平板，用于对初始太赫兹频域信号的对应周期频率处进行滤波，滤波频率由f＝c/2T决定，T为槽的周期长度，c＝3×108m/s为真空中的光速。
优选的，所述近场区域为小于1THz波长范围内的近场区域，即为光丝周围距离0.3mm的范围内。
本发明的有益效果在于：本发明近场调控等离子体太赫兹源的方法及装置，本发明仅使用金属平板或刻槽平板，即可有效地调控等离子体太赫兹源辐射的太赫兹时域和频域信号，结构简单、成本低廉；本发明在等离子体太赫兹源的近场进行信号调制，无需在后续太赫兹光路中插入器件，故空间尺寸较小，便于系统集成；本发明方法实现的太赫兹时域信号积分运算，对全光计算、光计算机等前沿领域发展有积极意义。
附图说明
图1为本发明金属平板调控等离子体太赫兹源辐射的实验装置结构示意图；
图2a为初始太赫兹时域信号图；
图2b为本发明放置金属平板后的太赫兹时域信号图；
图2c为初始时域信号的积分图；
图3a为本发明刻槽金属平板调控等离子体太赫兹源辐射的实验装置结构示意图；
图3b为本发明刻槽金属平板调控等离子体太赫兹源辐射的实验装置中刻槽平板结构示意图；
图4a为初始太赫兹频域信号图；
图4b为本发明放置刻槽金属平板后的太赫兹频域信号图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种近场调控等离子体太赫兹源的方法，准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生等离子体细丝(光丝)，之后用抛物面镜将光丝辐射的太赫兹波进行收集，可测得太赫兹时域和频域信号。
若在光丝的近场平行位置处放置金属平板，此时测得的太赫兹时域信号为原信号的积分结果。
若在光丝的近场平行位置处放置刻槽金属平板，此时测得的太赫兹频域信号将在原信号的某个频率处产生滤波。
滤波频率由刻槽的周期长度T决定，为f＝c/2T，其中，c为真空中的光速。
图1为装置金属平板的实验装置结构示意图，在本发明实施例中，准直的飞秒激光经过焦距为300mm的聚焦透镜1，在聚焦透镜1的焦点处电离空气形成等离子体光丝2，光丝2是一条长度约为10mm,直径约为0.1mm的等离子体通道。光丝产生的太赫兹波通过离轴抛物面镜3收集，最终由探测系统测量太赫兹波的时域或频域信号。将金属平板4平行于光丝放置在小于1THz波长(光丝周围距离0.3mm，具体而言，是光丝外表面以外0.3mm)范围内的近场区域内，光丝2中心线与正对光丝的金属平板4表面的垂直距离调节为0.2mm，即光轴与金属平板4的最短距离为0.2mm，之后重新测量太赫兹波的时域信号。这里，金属平板选择电导率较大的材质，这里选用铜板，长、宽均为10mm，使金属平板的大小大于光丝的轴截面，厚度为1mm。
图2a为未放置金属平板的初始太赫兹时域信号、图2b、2c为放置金属平板后的太赫兹时域信号和初始太赫兹时域信号的积分运算结果。由此可见，2b与2c波形几乎相同，所以金属平板对等离子体光丝辐射的太赫兹波有时域积分的调控效果。
图3a、3b为刻槽金属平板调控等离子体太赫兹源辐射的实验装置结构示意图和刻槽金属平板结构示意图。在本发明实施例中，只需将上述金属平板替换为刻槽的金属平板即可，其他操作基本相同。刻槽金属平板如图3b所示，具有均匀周期性的一维槽结构，且槽的周期长度为T。在本发明实施例中，刻槽金属平板选用铜板，长、宽均为10mm，厚度为1mm；槽的深度和宽度需在1THz波长(光丝外表面以外0.3mm)范围内，均设为0.04mm，槽的周期长度T为0.28mm。
图4a、4b为未放置刻槽金属平板的初始太赫兹频域信号图和放置刻槽金属平板后的太赫兹频域信号图。可见此时测得的太赫兹频域信号在0.536THz处产生了滤波。此滤波频率由f＝c/2T决定，其中T＝0.28mm为槽的周期长度，c＝3×108m/s为真空中的光速。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种近场调控等离子体太赫兹源的方法，其特征在于，准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生光丝，之后用抛物面镜对光丝辐射的太赫兹波进行收集，测得太赫兹时域信号和太赫兹频域信号作为初始太赫兹时域信号和初始太赫兹频域信号；
若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置金属平板，此时测得的太赫兹时域信号为初始太赫兹时域信号的积分；
若在光丝的近场区域光丝光轴平行位置处放置周期刻槽金属平板，此时测得的太赫兹频域信号为对初始太赫兹频域信号的对应周期频率处滤波后信号，滤波频率由f＝c/2T决定，T为槽的周期长度，c＝3×108m/s为真空中的光速。
2.根据权利要求1所述近场调控等离子体太赫兹源的方法，其特征在于，所述金属平板选择电导率大的金属材质，金属平板的大小大于光丝的轴截面。
3.根据权利要求2所述近场调控等离子体太赫兹源的方法，其特征在于，所述金属平板为铜板，厚度为1mm。
4.根据权利要求2所述近场调控等离子体太赫兹源的方法，其特征在于，所述近场区域为小于1THz波长范围内的近场区域。
5.根据权利要求4所述近场调控等离子体太赫兹源的方法，其特征在于，所述周期刻槽金属平板选用铜板，槽的深度和宽度均在近场范围内。
6.一种近场调控等离子体太赫兹源的装置，其特征在于，包括激光器、透镜、抛物面镜以及金属平板，激光器输出准直的飞秒激光经过透镜聚焦，在焦点附近电离空气产生光丝，金属平板置于光丝的近场区域光丝光轴平行位置处，抛物面镜对光丝辐射的太赫兹波进行收集，所述金属平板的大小大于光丝的轴截面，用于对初始太赫兹时域信号的积分。
7.根据权利要求6所述近场调控等离子体太赫兹源的装置，其特征在于，所述金属平板为周期刻槽金属平板，用于对初始太赫兹频域信号的对应周期频率处进行滤波，滤波频率由f＝c/2T决定，T为槽的周期长度，c＝3×108m/s为真空中的光速。
8.根据权利要求6或7所述近场调控等离子体太赫兹源的装置，其特征在于，所述近场区域为小于1THz波长范围内的近场区域，即为光丝周围距离0.3mm的范围内。
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