CN116794859B - 多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法。该系统包括依次设置在光路上的激光器、光参量放大器、1200nm～1600nm的二分之一波片、斩波器、衰减片、二倍扩束器、反射式空间光调制器、反射镜、聚焦透镜、BBO晶体、第一离轴抛物面反射镜、硅片、长通太赫兹滤波器、第二离轴抛物面反射镜、高莱探测器以及记录荧光图像的CCD相机。利用空间光调制器加载不同调制深度的多光束相息图将高斯型光束转变为多光束，进而改变等离子体光丝的长度、位置等，不仅使产生的太赫兹波强度明显增强，还出现了一峰、二峰到三峰的变化。此外，还能进一步清楚等离子体光丝变化对太赫兹波强度变化的影响，对提高太赫兹波转化效率具有较强的实用和科研价值。

Description

多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波源和飞秒激光技术领域，具体而言，涉及一种利用多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法。

背景技术

太赫兹波是指频率从0.1THz到10THz，位于的微波和红外之间的电磁波。由于太赫兹波具有低能性、瞬态性、宽带性等特点，因而太赫兹波在物理、化学、生物学和工程领域广泛应用，极大地激发了人们对太赫兹波研究的兴趣。太赫兹源是这些研究的重中之重，现有技术的太赫兹源的产生主要有两种方法：分别是电学方法和光学方法。近几年一些学者开始研究聚焦于空气法产生太赫兹波。“空气法”指具有高脉冲能量的飞秒激光脉冲与气体原子相互作用，激发出自由离子和电子，产生等离子体，等离子体迅速衰弱，同时产生太赫兹波。空气法有很多优点，其能够克服太赫兹波在空气中的强吸收，以及产生的太赫兹波峰值功率高、频谱宽等优点，近年来得到了广泛的关注。但是，由于这种方式产生太赫兹波的能量利用效率比较低，为此，该领域的研究人员通过一些方法来提高太赫兹波的生成效率，其中最有效的是使用双色场。目前，双色激光场主流的物理模型是瞬态光电流模型。其中，在这些方法中，一些关于特殊光束产生太赫兹波的研究取得了一些成效。2016年，liu kang使用空间光调制器将高斯光束变换为突然自聚焦光束，研究了新型光束产生太赫兹波的现象。发现在新型光束下，太赫兹波的能量获得了提高。为新型气体太赫兹源的研究开辟了新方向，为特殊光束产生高强度太赫兹波打下了坚实的基础。之后，研究人员进行了一系列使用特殊光束产生太赫兹波的实验，例如：方形艾里、涡旋光束、贝塞尔光束等，这些方法能够有效的提升太赫兹波的能量转化效率。然而，本领域还没有关于等离子体丝的变化对太赫兹波强度变化的影响的研究。

发明内容

本发明提供一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法，其利用长波长飞秒高斯激光(1200nm～1600nm)通过空间光调制器转换为多光束激光，聚焦电离空气形成空气等离子体并向外辐射出太赫兹波。通过将波长调到1550nm、能量设置为100mw时，在电脑控制软件处变换不同调制深度的多光束相息图，使高斯光束转化为多光束，并进行实验发现多光束激光相对于传统高斯激光不仅能产生更强的太赫兹波辐射，获得更高的太赫兹波转换效率，而且还出现了一峰、二峰到三峰的变化，其对应的等离子体丝也随之发生了长度、位置等的变化。这对进一步清楚了解等离子体光丝变化对太赫兹波强度变化的影响，对提高太赫兹波转化率具有较强的实用价值和科研价值。

为达到上述目的，本发明提供了一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、光参量放大器、1200nm～1600nm的二分之一波片、斩波器、衰减片、二倍扩束器、反射式空间光调制器、反射镜、聚焦透镜、BBO晶体、空气等离子体、第一离轴抛物面反射镜、硅片、长通太赫兹滤波器、第二离轴抛物面反射镜和高莱探测器，其中：

所述激光器发射波长为800nm、水平偏振的飞秒激光；

所述飞秒激光经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片使所述竖直偏振激光变为水平偏振激光，再经过所述斩波器斩波后，通过所述衰减片调节其功率，然后再经过所述二倍扩束器对光束进行扩束后，入射至加载了多光束相息图的所述反射式空间光调制器，经过所述反射式空间光调制器相位调制后的光束由高斯型光束转变为多光束，其中，所述反射式空间光调制器的入射光束与反射光束之间的夹角小于20度；

所述反射式空间光调制器以小于10度的小角度将所述多光束反射出后，依次经过所述反射镜的反射和所述聚焦透镜的聚焦后，再经过所述BBO晶体倍频产生二次谐波，所述二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体并产生太赫兹波；

激发后的光束入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直射出，再依次经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再经过所述第二抛物面镜反射镜收集并重新聚焦，最后由所述高莱探测器探测太赫兹波强度；

其中，在所述空气等离子体处还设置有一CCD相机，用于记录等离子体通道的荧光图像。

在本发明一实施例中，其中，所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，其发射水平偏振且中心波长为800nm的高斯分布飞秒激光脉冲。

在本发明一实施例中，其中，所述光参量放大器输出的竖直偏振激光为波长在1200nm～1600nm可调的竖直偏振高斯飞秒激光脉冲。

在本发明一实施例中，其中，所述光参量放大器的输出波长调节为1550nm。

在本发明一实施例中，其中，所述斩波器的频率为15Hz。

在本发明一实施例中，其中，所述衰减片将经过其的激光功率调节到100mW。

在本发明一实施例中，其中，所述反射式空间光调制器的入射光与法线的夹角以及反射光与法线的夹角均小于10度，且所述反射式空间光调制器在其连接的PC端通过软件加载不同的相息图将入射的高斯型光束转变为不同的多光束，其中，所述相息图为不同调制深度的相息图。

为达到上述目的，本发明还提供了一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的方法，其通过前述系统实现，所述方法包括以下步骤：

S1：所述激光器发射高斯型的波长为800nm的激光，波长为800nm的激光经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片将竖直偏振激光变为水平偏振激光，然后经过所述斩波器斩波后通过所述衰减片进行功率调节，再经过所述二倍扩束器对高斯型光束进行扩束，此时，将所述衰减片的功率调节设为100mW；

S2：扩束后的高斯光束入射至加载了多光束相息图的所述反射式空间光调制器，通过软件加载不同调制深度的相息图对高斯型光束进行相位调制后，高斯型光束转变为多光束，再将所述反射式空间光调制器反射出的多光束经过聚焦透镜聚焦，接着经过BBO晶体倍频后产生二次谐波，二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体并产生太赫兹波，此时通过调节BBO晶体的刻度与角度以获得最佳的太赫兹波输出；

S3：产生的太赫兹波入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直，经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再由所述第二抛物面镜反射镜收集并重新聚焦，此时，使用所述高莱探测器探测太赫兹波强度，用所述CCD相机记录等离子体通道的荧光图像。

本发明提供的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法，与现有技术相比，通过改变不同调制深度的多光束的相息图，使高斯型光束转化为不同调制深度的多光束以激发空气等离子体，通过不同的调制深度使等离子体光丝的长度、位置和内部密度分布发生变化，不仅使产生的太赫兹波强度出现了明显的增强，而且还出现了从一峰到二峰到三峰的变化。此外，本发明的多光束激光除了能够增强太赫兹波的强度，还进一步清楚了解等离子体光丝变化对太赫兹波强度变化的影响，对提高太赫兹波转化率具有较强的实用和科研价值。

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为本发明一实施例提供的利用多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统结构示意图；

图2A～图2C分别为本发明一实施例中不同调制深度下的多光束的光丝荧光示意图，其中，图2A为双光束，图2B为四光束，图2C为七光束；

图3为本发明一实施例中波长为1550nm、能量为100mw时，多光束(双光束、四光束、七光束)的太赫兹波强度随调制深度变化的曲线示意图。

附图标记说明：1-激光器；2-光参量放大器；3-1200nm～1600nm的二分之一波片；4-斩波器；5-衰减片、6-二倍扩束器；7-反射式空间光调制器；8-反射镜；9-聚焦透镜；10-BBO晶体；11-第一离轴抛物面反射镜；12-硅片；13-长通太赫兹滤波器；14-第二离轴抛物面反射镜；15-高莱探测器；16-CCD相机；17-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。

图1为本发明一实施例提供的利用多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统结构示意图，如图1所示，本实施例提供一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其包括依次设置在光路上的激光器1、光参量放大器2、1200nm～1600nm的二分之一波片3、斩波器4、衰减片5、二倍扩束器6、反射式空间光调制器7、反射镜8、聚焦透镜9、BBO晶体10、空气等离子体17、第一离轴抛物面反射镜11、硅片12、长通太赫兹滤波器13、第二离轴抛物面反射镜14和高莱探测器15，其中：

激光器1发射波长为800nm、水平偏振的飞秒激光；

在实施例中，其中，所述激光器1为钛蓝宝石飞秒激光放大器，其发射水平偏振且中心波长为800nm的高斯分布飞秒激光脉冲。激光器1可以为飞秒激光放大器，例如美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光放大器Spitfire，但不限于此。

所述飞秒激光(800nm的激光)经过光参量放大器2被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片3使所述竖直偏振激光变为水平偏振激光，再经过斩波器4斩波后，通过衰减片5将其功率调节到100mW，然后再经过所述二倍扩束器6对光束(即高斯光束)进行扩束后，入射至加载了多光束相息图的反射式空间光调制器7，经过反射式空间光调制器7的相位调制后的光束由高斯型光束转变为多光束，其中，反射式空间光调制器7的入射光束与反射光束之间的夹角小于20度；

在本实施例中，其中，光参量放大器2的输出的竖直偏振激光为波长在1200nm～1600nm可调的竖直偏振高斯飞秒激光脉冲。光参量放大器2是一种通过应用光学参量生成来执行激光的波长转换的装置，能够利用非线性光学效应来增加特定频率的光强度。

在本发明一优选实施例中，其中，光参量放大器2的输出波长调节为1550nm。

在本实施例中，其中所采用的斩波器4的频率例如可以为15Hz，但不限于此，其用于调制太赫兹波脉冲，提高探测精度和信噪比。

在本实施例中，其中，衰减片5将经过其的激光功率调节到100mW。由于反射式空间光调制器7对入射光的有阈值限制，其不能承受高功率的激光，因此，在此处设置用于调节激光功率的器件衰减片5对激光功率进行调节。

在本实施例中，其中，反射式空间光调制器7的入射光与法线的夹角以及反射光与法线的夹角均小于10度，且反射式空间光调制器7在其连接的PC端通过软件加载不同的相息图以改变反射式空间光调制器7内部液晶分子的相位，以将入射的高斯型光束转变为多光束，其中，所述相息图为不同调制深度的相息图，以改变多光束不同的调制深度。

其中，多光束是指同一类型的光束被分成多束，即把入射到空间光调制器的高斯光束分为几束就叫几光束，例如：分成了两束即为双光束，分为四束即为四光束，分为七束即为七光束。

反射式空间光调制器7以小于10度的小角度将所述多光束反射出后，依次经过反射镜8的反射和聚焦透镜9的聚焦后，经过BBO晶体10倍频后产生二次谐波，二次谐波与原波长的波(即双色场)共线聚焦激发空气等离子体17并产生太赫兹波；

其中，BBO晶体10的倍频是通过调节BBO晶体最佳刻度和最佳角度实现的，通常倍频效率在峰和谷之间的效率最高，以此可以获得最佳的太赫兹输出。

激发后的光束入射至第一离轴抛物面反射镜11后被准直射出，再依次经过硅片12和长通太赫兹滤波器13将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再经过第二抛物面镜反射镜14收集并重新聚焦，最后由高莱探测器15探测太赫兹波强度；

其中，在空气等离子体17处还设置有一CCD相机16，用于记录等离子体通道的荧光图像。

图2A～图2C分别为本发明一实施例中不同调制深度下的多光束的光丝荧光示意图，其中，图2A为双光束，图2B为四光束，图2C为七光束，本实施例通过在空气等离子体17处设置的CCD相机16可以拍摄得到不同调制深度(0.2～5)下的多光束的光丝荧光图像，拍摄时需要将CCD相机16调节好位置以找到最清晰的图像。由于反射式空间光调制器7通过电脑软件变换不同调制深度的相息图，因此，如图2A～图2C所示，可以观察到通过改变不同的调制深度(0.2～5)，光丝的长度和亮度发生了改变，其中，图2B中的四光束和图2C中的七光束质心位置发生了变化(即不同调制深度的光丝质心出现偏移)，但是图2A中的双光束对应的光丝的质心位置没有发生变化。

图3为本发明一实施例中波长为1550nm、能量为100mw时，多光束(双光束、四光束、七光束)的太赫兹波强度随调制深度变化的曲线示意图，其中横坐标0对应的太赫兹波强度为高斯光束产生的太赫兹波强度，横坐标1、2、3、4、5对应为多光束不同的调制深度。当波长为1550nm、能量为100mw时，用高莱探测器15探测不同的调制深度下的多光束产生的太赫兹波强度，得到如图3所示的多光束的太赫兹波强度随调制深度变化的曲线图。随着所分的光束的增加(从双光束到四光束再到七光束)，出现了单峰，双峰到三峰的变化。并且双光束在调制深度为0.6处产生的太赫兹波强度，相比高斯光束产生的太赫兹波强度增强了1.57倍；四光束在调制深度为0.4处产生的太赫兹波强度，相比高斯光束产生的太赫兹波强度增强了1.43倍；七光束在调制深度为1.6处产生的太赫兹波强度，相比高斯光束产生的太赫兹波强度增强了1.73倍，这三种多光束产生的太赫兹波强度相比于高斯光束产生的太赫兹波强度都出现了明显的增强。

本发明另一实施例还提供了一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的方法，其通过图1所示的系统实现，所述方法包括以下步骤：

S1：所述激光器发射高斯型的波长为800nm的激光，所述波长为800nm的激光经过所述光参量放大器2被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片3将竖直偏振激光变为水平偏振激光，然后经过所述斩波器4斩波后通过所述衰减片5进行功率调节，再经过所述二倍扩束器6对高斯型光束进行扩束，此时，将所述衰减片5的功率调节设为100mW；

S2：扩束后的高斯光束入射至加载了多光束相息图的所述反射式空间光调制器7，通过软件加载不同调制深度的相息图对高斯型光束进行相位调制后，高斯型光束转变为多光束，再将所述反射式空间光调制器7反射出多光束经过聚焦透镜9聚焦，接着经过BBO晶体10倍频后产生二次谐波，二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体17并产生太赫兹波，此时调节BBO晶体10的刻度与角度以获得最佳的太赫兹波输出；

S3：产生的太赫兹波入射至所述第一离轴抛物面反射镜11后被准直，经过所述硅片12和所述长通太赫兹滤波器13将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再由所述第二抛物面镜反射镜14收集并重新聚焦，此时，使用所述高莱探测器15探测太赫兹波强度，用所述CCD相机16记录等离子体通道的荧光图像。

本发明提供的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统和方法，是通过改变不同调制深度的多光束的相息图，使高斯型光束转化为不同调制深度的多光束以激发空气等离子体，通过不同的调制深度使等离子体光丝的长度、位置和内部密度分布发生变化，不仅使产生的太赫兹波强度出现了明显的增强，而且还出现了从一峰到二峰到三峰的变化。此外，本发明的多光束激光除了能够增强太赫兹波的强度，还进一步清楚了解等离子体光丝变化对太赫兹波强度变化的影响，对提高太赫兹波转化率具有较强的实用和科研价值。

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。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

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)

1.一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，包括依次设置在光路上的激光器、光参量放大器、1200nm～1600nm的二分之一波片、斩波器、衰减片、二倍扩束器、反射式空间光调制器、反射镜、聚焦透镜、BBO晶体、空气等离子体、第一离轴抛物面反射镜、硅片、长通太赫兹滤波器、第二离轴抛物面反射镜和高莱探测器，其中：

所述激光器发射波长为800nm、水平偏振的飞秒激光；

所述飞秒激光经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片使所述竖直偏振激光变为水平偏振激光，再经过所述斩波器斩波后，通过所述衰减片调节其功率，然后再经过所述二倍扩束器对光束进行扩束后，入射至加载了多光束相息图的所述反射式空间光调制器，经过所述反射式空间光调制器相位调制后的光束由高斯型光束转变为多光束，其中，所述反射式空间光调制器的入射光束与反射光束之间的夹角小于20度，且所述反射式空间光调制器在其连接的PC端通过软件加载不同的相息图将入射的高斯型光束转变为不同的多光束，其中，所述相息图为不同调制深度的相息图；

所述反射式空间光调制器以小于10度的小角度将所述多光束反射出后，依次经过所述反射镜的反射和所述聚焦透镜的聚焦后，再经过所述BBO晶体倍频产生二次谐波，所述二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体并产生太赫兹波；

激发后的光束入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直射出，再依次经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再经过所述第二离轴抛物面镜反射镜收集并重新聚焦，最后由所述高莱探测器探测太赫兹波强度；

其中，在所述空气等离子体处还设置有一CCD相机，用于记录等离子体通道的荧光图像。

2.根据权利要求1所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，其发射水平偏振且中心波长为800nm的高斯分布飞秒激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述光参量放大器输出的竖直偏振激光为波长在1200nm～1600nm可调的竖直偏振高斯飞秒激光脉冲。

4.根据权利要求3所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述光参量放大器的输出波长调节为1550nm。

5.根据权利要求1所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述斩波器的频率为15Hz。

6.根据权利要求1所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述衰减片将经过其的激光功率调节到100mW。

7.根据权利要求1所述的多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的系统，其特征在于，所述反射式空间光调制器的入射光与法线的夹角以及反射光与法线的夹角均小于10度。

8.一种多光束激光电离空气调控太赫兹波强度的方法，通过权利要求1～7任一项的所述系统实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：所述激光器发射高斯型的波长为800nm的激光，波长为800nm的激光经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片将竖直偏振激光变为水平偏振激光，然后经过所述斩波器斩波后通过所述衰减片进行功率调节，再经过所述二倍扩束器对高斯型光束进行扩束，此时，将所述衰减片的功率调节设为100mW；

S2：扩束后的高斯光束入射至加载了多光束相息图的所述反射式空间光调制器，通过软件加载不同调制深度的相息图对高斯型光束进行相位调制后，高斯型光束转变为多光束，再将所述反射式空间光调制器反射出的多光束经过聚焦透镜聚焦，接着经过BBO晶体倍频后产生二次谐波，二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体并产生太赫兹波，此时通过调节BBO晶体的刻度与角度以获得最佳的太赫兹波输出；

S3：产生的太赫兹波入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直，经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再由所述第二离轴抛物面镜反射镜收集并重新聚焦，此时，使用所述高莱探测器探测太赫兹波强度，用所述CCD相机记录等离子体通道的荧光图像。