CN115764528A - 基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置，该方法包括：使用飞秒激光器产生飞秒激光，利用分束器将激光分为两路，并分别通过透镜和倍频晶体倍频后形成空间和时间重合的等离子体双光丝。研究表明采用这种双光丝结构，可以显著提高获得的太赫兹波辐射强度。本发明利用在时间和空间上交叉重合的双光丝，通过调节单个辐射的太赫兹波相位和强度，实现超越太赫兹波相干叠加效果的辐射增强。本发明为突破瞬态激光场强钳制的强场提供了一种有效实现途径，是一种全光的太赫兹波辐射增强方法，实验上可实现7倍以上的太赫兹辐射增强效果，是一种全新的调控思路。

Description

基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置，具体涉及一种通过两路飞秒激光制备空间交叉双光丝结构，在时间空间重合情况下，实现辐射的太赫兹波强度增强的调控装置及方法。

背景技术

太赫兹波段是处于微波无线电波段和可见光波段范围内的一种电磁波，一般是指频率处在0.1THz～10THz(1THz＝10¹²Hz)，波长处在0.03～3mm之间的电磁波辐射。由于太赫兹波单光子能量较低、波长兼具较理想的透射性和准直性、具有丰富的物质指纹谱性质，因而太赫兹技术在无损检测、目标识别、物质诊断、人体安检等领域展现出了良好的应用前景。

飞秒激光聚焦成丝(简称光丝)是一种有效的桌面式太赫兹产生手段，可以获得宽带的相干太赫兹波辐射。通常采用飞秒激光通过倍频产生双色场后，再经过聚焦空气电离产生太赫兹辐射。激光聚焦成丝除了可以作为太赫兹波的辐射源外，也可以作为太赫兹波的宽带检测装置，例如通过空气偏置相干检测方法(air-biased coherent detection)可以实现宽谱的太赫兹波段高灵敏度相干探测，目前已被运用在工业和其他产品上。

尽管在太赫兹波段的产生与探测方面，已经有灵敏度较高的宽带方法，在太赫兹波的调控方式上，则存在较大的不足。基于超表面和超材料的太赫兹波技术已被应用在点频太赫兹源的开关和调制上，但是如何实现宽带太赫兹波的调制和增强则有待研究。如今，在实现太赫兹波的调制方面，已经广泛研究了多种光丝排列方式，如共线、平行和交叉几何形状。两条光丝的共线排列可以极大地抑制太赫兹输出，这可能是由中性分子的耗尽或集体吸收引起的。基于双色激光脉冲和后续的单个脉冲的共线传播可以实现太赫兹波辐射的增强。遗憾的是，这种增强效果主要在μJ量级的激光输入下比较显著，而当激光能量提高时增强的效果显著下降。平行的光丝已被证明可以相干合成太赫兹光束并改变发射方向，而交叉的双光丝已被证明可以产生太赫兹尾场，改变辐射太赫兹波的角度和偏振特性，进行太赫兹光谱光谱调制，以及抑制太赫兹波发射。上述研究揭示了光丝相互作用在控制太赫兹波辐射方面的应用潜力，但是整体而言，高激光入射强度似乎会对基于等离子体的太赫兹波调控应用产生负面影响。

有鉴于此，有必要设计一种改进的基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置，克服了通常情况下高入射激光能量太赫兹波难以增强及调控的特性，利用两路倍频飞秒激光成丝的组合结构设计，提供了一种宽太赫兹波段下适用的太赫兹波辐射增强方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法，包括以下步骤：

将飞秒激光分为两路，并对两条光路均进行聚焦电离和倍频，产生两路光丝，使所述两路光丝在空间和时间上交叉重合，且相位相同，得到增强的太赫兹波辐射。

进一步的，所述两条光路的分光强度比为(45:55)-(55:45)，优选按照50:50的分光强度比进行分束得到。

进一步的，所述飞秒激光的单脉冲能量大于4mJ，所述两路光丝交叉重合的夹角为6-10°。

本发明还提供一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，包括：

飞秒激光器模块，用于输出飞秒激光；

和泵浦光模块，用于产生增强的太赫兹波辐射；

所述泵浦光模块包括分束镜以及第一光路和第二光路；

所述第一光路包括沿光路依次设置的第一光学延迟线、若干个反射镜、第一透镜和第一倍频晶体；且所述第一倍频晶体位于第一透镜和其焦点之间；

所述第二光路包括沿光路依次设置的若干个反射镜、第二透镜和第二倍频晶体；且所述第二倍频晶体位于第二透镜和其焦点之间；

所述第一透镜和第二透镜的聚焦焦点位置重合，用于实现两条光路聚焦成丝以产生太赫兹波。

进一步的，所述第一透镜和第二透镜的焦距相等；所述第一倍频晶体和第二倍频晶体具有相同镀膜和切角。

进一步的，所述泵浦光模块还包括设置于所述聚焦焦点之后的第一离轴抛面镜，用于收集太赫兹波，所述第一离轴抛面镜的焦点与所述聚焦焦点重合。

进一步的，所述太赫兹波辐射增强装置还包括探测光模块和太赫兹探测模块；所述飞秒激光器模块还包括分束镜，用于将飞秒激光按(5:95)-(10:90)的分光强度比分束为探测光和泵浦光

所述探测光模块包括沿探测光光路依次设置的第二光学延迟线和第三透镜；

所述太赫兹探测模块包括第二离轴抛面镜和采样探测装置，用于将所述太赫兹波以及所述探测光模块的探测光聚焦后采样探测，并根据探测结果，调整所述第一光路和第二光路的光学元件，以使两路光丝的空间和时间重合。

进一步的，通过调节所述第一倍频晶体和第二倍频晶体至所述聚焦焦点的位置，实现对所述太赫兹波波形的调制。

进一步的，所述第二离轴抛面镜设有钻孔，用于透过所述探测光；所述第二离轴抛面镜与第一离轴抛面镜的镜面相对设置；

所述采样探测装置包括沿光路依次设置的电光晶体、波片、分束片和平衡探测器。

本发明还提供一种基于双光丝的太赫兹波探测装置，包括以上任一项所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置以及样品台，所述样品台设置于聚焦焦点位置，用于测试待分析样品的太赫兹光谱图。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法和装置，通过对两路飞秒激光聚焦的时间-空间重合、太赫兹波相位的调制，实现对太赫兹波辐射的增强作用。该方法是一种基于等离子体的全光太赫兹波调控方法，可以实现太赫兹波辐射强度的显著增强，增强效果优于两路太赫兹波的相干合成效果，是对现有太赫兹技术的有效补充。

其次，本发明所涉及的光路可对空间双光丝的时空间性质和相位性质进行简便调节，有利于太赫兹波强源的产生，具有技术上的现实意义。再者，太赫兹波辐射增强表明等离子体的电子密度对太赫兹波辐射强度有着重要的意义，但是单纯增强电子密度并不会导致太赫兹波辐射的增强，其中的相干特性也有着重要的作用，本发明有望加深对基于等离子体的太赫兹波辐射物理过程的理解，具有潜在的研究价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置的结构示意图。

图2为本发明基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法的流程框图。

图3为一种实测的两路光丝辐射荧光强度随两路之间时间延迟的变化关系图。

图4为当双光丝处于同相情况下的太赫兹波波形增强的实测图。

图5为当双光丝处于反相情况下的太赫兹波强度消除的实测图。

图6为本发明的基本原理示意图。

图7为本发明基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置的时间、空间及相位调节关系图。

附图标记：

10-飞秒激光器模块；11-飞秒激光器；12-第一分束镜；

20-泵浦光模块；21-第一反射镜；22-第二分束镜；23-第一光路；231-第一光学延迟线；232-第二反射镜；233-第一透镜；234-第一倍频晶体；24-第二光路；241-第三反射镜；242-第二透镜；243-第二倍频晶体；25-第一离轴抛面镜；

30-探测光模块；31-第二光学延迟线；32-第三透镜；

40-太赫兹探测模块；41-第二离轴抛面镜；42-电光晶体；43-波片；44-分束片；45-平衡探测器。

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，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

请参阅图1-7所示，本发明提供了一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法、装置及探测装置，该方法主要包括以下步骤：将飞秒激光分为两路，并对两条光路均进行聚焦电离和倍频，产生两路光丝，使所述两路光丝在空间和时间上交叉重合，且相位相同，得到增强的太赫兹波辐射。以下结合辐射增强装置具体对本发明的增强原理进行阐述：

请参阅图1所示，为本发明的一种实际案例，包括：飞秒激光器模块10、泵浦光模块20、探测光模块30和太赫兹探测模块40。当仅基于太赫兹波辐射增强目的时，本发明可只包含飞秒激光器模块10和泵浦光模块20。当基于更精确增强调控或者太赫兹波探测目的时，可附加探测光模块30和太赫兹探测模块。

具体地，飞秒激光器模块10包括飞秒激光器11和第一分束镜12，用于输出飞秒激光，并通过第一分束镜12将其分束为一路强光和一路弱光，强光用于发射至泵浦光模块20，产生增强的太赫兹波，弱光用于发射至探测光模块30，然后在太赫兹探测模块40与太赫兹波汇合后进行太赫兹光谱探测分析。弱光和强光的分光强度比为(5:95)-(25:75)，优选为(10:90)-(15:85)，更优选为10:90。当仅基于增强目的时，飞秒激光器模块10可不设置第一分束镜12。

泵浦光模块20包括第一反射镜21、第二分束镜22、第一光路23和第二光路24以及第一离轴抛面镜25，强光可先经第一反射镜21调节光路方向，然后经第二分束镜22再次分束后得到分光强度比为50:50的两路光，保证了两路光能量相等，有助于实现理想的双光丝结构。

第一光路23包括沿光路依次设置的第一光学延迟线231、若干个第二反射镜232(例如1-5个)、第一透镜233和第一倍频晶体234；且第一倍频晶体234位于第一透镜233和其焦点之间。第二反射镜232的目的是通过调节光路方向使得第一光路23入射至第一透镜233，并尽可能的节约光路上的光学元件占用空间。其中，至少在光路上与第一透镜233相邻的第二反射镜232设置有方位角和反射面调节部件，以调节第一光路23入射至第一透镜233的方向，从而保证第一光路23和第二光路24能够聚焦重合。

第二光路24包括沿光路依次设置的若干个第三反射镜241(例如1-5个)、第二透镜242和第二倍频晶体243；且第二倍频晶体243位于第二透镜242和其焦点之间；第三反射镜241目的是通过调节光路方向使得第二光路24入射至第二透镜242，其中，至少在光路上与第二透镜242相邻的第三反射镜241设置有方位角和反射面调节部件，以调节第二光路24入射至第二透镜242的方向，实现两路光丝的聚焦电离。

第一透镜233和第二透镜242通过聚焦焦点位置重合，实现两条光路聚焦成丝以产生增强的太赫兹波。

产生的太赫兹波可通过第一离轴抛面镜25平行收集。

探测光模块30包括沿探测光光路依次设置的第二光学延迟线31和第三透镜32；

所述太赫兹探测模块40包括第二离轴抛面镜41和采样探测装置，用于将所述太赫兹波以及所述探测光模块的探测光聚焦后采样探测，并根据探测结果，调整所述第一光路和第二光路的光学元件，以使两路光丝的空间和时间重合。第二离轴抛面镜41设有钻孔，且该钻孔与第三透镜32的透射光路在一条直线上，用于透过所述探测光；第二离轴抛面镜41与第一离轴抛面镜25的镜面相对设置，用于将聚焦电离产生的太赫兹波经第一离轴抛面镜25和第二离轴抛面镜41平行转换后聚焦采集探测，与此同时，探测光也透过钻孔聚焦。

采样探测装置包括沿光路依次设置的电光晶体42、波片43、分束片44和平衡探测器45。探测光和太赫兹波聚焦在电光晶体42上，实现对第二离轴抛面镜41聚焦的太赫兹波光斑进行电光采样探测。输出的光信号经过四分之一波长波片43和偏振分束片44后，由平衡探测器45进行探测并记录太赫兹波波形。

图6和图7中给出了对应的基本技术原理：首先通过光路的调节实现两路光丝在时间和空间上的重合，其后再通过改变倍频晶体至聚焦光丝的位置实现两路光丝辐射的太赫兹波同相调制，当两者相位、时间、空间重合性质良好时，得到增强的太赫兹波辐射。

本发明提供一种用于基于飞秒激光双光丝的时间、空间重合以及相位调制，实现对太赫兹辐射的强度和谱特性的调控装置及方法，具体包含以下步骤：

步骤一、通过飞秒激光器11输出飞秒激光脉冲，这种脉冲一般具备100fs的脉宽，重复频率一般为kHz量级，单脉冲能量一般>4mJ。输出的飞秒激光通过第一分束镜12分为两路，分别用于产生太赫兹波以及对太赫兹波进行探测。通常采用9：1的分光强度比，即让较弱的能量进行太赫兹波的探测，而让较强的一路光实现激光成丝和太赫兹波的产生。

能量较高的一路光被反射镜21反射后，再经过第二分束镜22分为相等能量的两路光，这里采用的分束镜按照50:50比例进行分光，保证了两路光能量相等，有助于实现理想的双光丝结构。第一光路23通过第一光学延迟线231和第二反射镜232后，通过第一透镜233聚焦并通过倍频晶体234进行聚焦成丝；第二光路24通过第三反射镜241，通过第二透镜242聚焦并通过倍频晶体243进行聚焦成丝。光丝产生太赫兹波后，会进行发散，因此通过第一离轴抛面镜25转为平行光收集。该第一离轴抛面镜25的焦点应放置在两路光丝的焦点位置，有利于太赫兹波转换为平行光。平行太赫兹波再通过第二离轴抛面镜41聚焦至电光晶体42上。

光丝聚焦产生太赫兹波后，两路等离子体产生的太赫兹波会具有一定的发散性，在收集前需要用太赫兹波相机或其他成像装置对发散角进行标定，以确保太赫兹波辐射被完全收集，同时该发散角度也由与第一透镜233和第二透镜242相邻的反射镜232和241共同决定。

第一透镜233和第二透镜242应选取同焦距规格，用于实现光丝具备相近的空间结构及性质(包括但不限于电子密度、光丝长度、光丝空间分布等)。倍频晶体234和243应选取具备相同镀膜、相同切角的晶体，用于实现倍频光的强度、相位等性质一致，可选用β-BBO晶体作为倍频晶体。对于第一光路23和第二光路24而言，强度、偏振和相位一致的双色场将有助于太赫兹波信号的增强，因此对于两路的光的严格控制和调节对太赫兹波辐射增强具有重要意义。

能量较弱的一路光通过第二光学延迟线31进行时间控制，通过第三透镜32和钻孔的第二离轴抛面镜41聚焦在电光晶体42上，实现对第二离轴抛面镜41聚焦的太赫兹波光斑进行电光采样探测。输出的光信号经过四分之一波长波片43和偏振分束片44后，由平衡探测器45进行探测并记录太赫兹波波形。

步骤二、探测到太赫兹波信号后，需要进一步调节光丝的时间-空间重合情况，其中，通过两个反射镜232和241的方位角和反射面可实现两路光聚焦焦点位置的重合，即实现两路光丝的空间位置重合。通过改变第一光学延迟线231实现两路激光的时间域上的重合，此时可以实现时间-空间重合的双光丝结构。

通常，反射镜232和241的极角旋钮主要负责两路光丝传播在同一平面内，其方位角旋钮则负责两路光丝的空间交叉重合(本发明交叉重合夹角为6-10°，优选为8°)，特别是需要将两路光的焦点重合在同一位置。此时，可以实现时间-空间重合的双光丝结构。重合部分的荧光强度会提高，在图3中提供了一组荧光强度提高的结果。当两路光丝在空间上重合，但是时间上不重合时，其荧光强度较低；通过调节时间延迟后，荧光强度可提高大致200倍以上，通过荧光信号的强弱可以较好的判断此时两路光丝的重合情况。其对应的荧光辐射大小实际上反映了光丝中的等离子体密度大小。太赫兹波辐射的强度与等离子体电子密度相关，通常情况下电子密度越高，太赫兹波辐射强度越强。

图3中提供了一种实测的两路光丝辐射荧光强度随两路之间时间延迟的变化关系，荧光强度的表征可用于标定两路等离子体光丝内的电子密度变化差异，进而可以大致判断等离子体频率变化特性。可以发现，当两路光丝时间重合时，荧光强度会得到显著的增强，而当两路光丝在时间上错开时，对应的荧光强度会显著降低。两者差异达到了几百倍。

步骤三、双色激光场制备光丝的相对相位对辐射太赫兹波的波形会造成影响，通过改变倍频晶体234和243至焦点的位置，可以实现双色激光场相对相位的调制，进而实现太赫兹波形的调节，图4中给出了两路太赫兹波同相位、同强度情况下，所得到的增强的太赫兹波波形，如图4所示，太赫兹波强度得到显著的提高。同时，提供了两路波形反向情况下的太赫兹波强度，图5中给出的太赫兹波强度显示，两者反向会显著抑制太赫兹波辐射的强度，因此对于两者相位的优化将直接决定对于辐射增强的效果。

图4中提供了一个基于双光丝的太赫兹波辐射增强实例，所测波形为通过电光采样平衡探测得到的单独第一路光丝、第二路光丝以及两路光丝叠加时的太赫兹波辐射。可以发现，此时，得到的太赫兹波强度得到显著增强，通过积分，总强度大致提高了7倍，优于太赫兹波相干叠加下的结果。

图5中给出了当两路光丝相位反向时的太赫兹波辐射情况，所得到的为频率相关的太赫兹波辐射强度，分别为单独第一路光丝、第二路光丝以及两路光丝叠加时的太赫兹波辐射。可以发现，当单独的两路太赫兹波反向时，叠加得到的太赫兹波受到了显著的抑制。

综上所述，本发明提供了一种基于两路飞秒激光空间交叉聚焦形成等离子体，并实现对辐射的太赫兹波增强的调控装置及方法，该方法包括如下步骤：使用飞秒激光器产生飞秒激光，将飞秒激光分为两路后，分别进行聚焦电离和倍频产生气体等离子体光丝，两路光丝空间和时间重合时，可以发现太赫兹波辐射得到显著的增强。本发明利用两路飞秒激光形成双丝的方法，实现太赫兹波辐射的增强，增强效果超过了相干合成的4倍。发明所涉及的方法是一种全光的相干太赫兹增强方案，可以有效的克服激光光强在等离子体中的光强钳制，有效提高太赫兹辐射强度，是一种全新的调控思路。

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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

将飞秒激光分为两路，并对两条光路均进行聚焦电离和倍频，产生两路光丝，使所述两路光丝在空间和时间上交叉重合，且相位相同，得到增强的太赫兹波辐射。

2.根据权利要求1所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法，其特征在于，所述两条光路的分光强度比为(45:55)-(55:45)，优选按照50:50的分光强度比进行分束得到。

3.根据权利要求1所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强方法，其特征在于，所述飞秒激光的单脉冲能量大于4mJ，所述两路光丝交叉重合的夹角为6-10°。

4.一种基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，包括：

飞秒激光器模块，用于输出飞秒激光；

和泵浦光模块，用于产生增强的太赫兹波辐射；

所述泵浦光模块包括分束镜以及第一光路和第二光路；

所述第一光路包括沿光路依次设置的第一光学延迟线、若干个反射镜、第一透镜和第一倍频晶体；且所述第一倍频晶体位于第一透镜和其焦点之间；

所述第二光路包括沿光路依次设置的若干个反射镜、第二透镜和第二倍频晶体；且所述第二倍频晶体位于第二透镜和其焦点之间；

所述第一透镜和第二透镜的聚焦焦点位置重合，用于实现两条光路聚焦成丝以产生太赫兹波。

5.根据权利要求4所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜的焦距相等；所述第一倍频晶体和第二倍频晶体具有相同镀膜和切角。

6.根据权利要求4或5所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，所述泵浦光模块还包括设置于所述聚焦焦点之后的第一离轴抛面镜，用于收集太赫兹波，所述第一离轴抛面镜的焦点与所述聚焦焦点重合。

7.根据权利要求6所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，所述太赫兹波辐射增强装置还包括探测光模块和太赫兹探测模块；所述飞秒激光器模块还包括分束镜，用于将飞秒激光按(5:95)-(10:90)的分光强度比分束为探测光和泵浦光；

所述探测光模块包括沿探测光光路依次设置的第二光学延迟线和第三透镜；

所述太赫兹探测模块包括第二离轴抛面镜和采样探测装置，用于将所述太赫兹波以及所述探测光模块的探测光聚焦后采样探测，并根据探测结果，调整所述第一光路和第二光路的光学元件，以使两路光丝的空间和时间重合。

8.根据权利要求7所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，通过调节所述第一倍频晶体和第二倍频晶体至所述聚焦焦点的位置，实现对所述太赫兹波波形的调制。

9.根据权利要求7所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置，其特征在于，所述第二离轴抛面镜设有钻孔，用于透过所述探测光；所述第二离轴抛面镜与第一离轴抛面镜的镜面相对设置；

所述采样探测装置包括沿光路依次设置的电光晶体、波片、分束片和平衡探测器。

10.一种基于双光丝的太赫兹波探测装置，其特征在于，包括权利要求4-9中任一项所述的基于双光丝的太赫兹波辐射增强装置以及样品台，所述样品台设置于聚焦焦点位置，用于测试待分析样品的太赫兹光谱图。

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