CN206348267U - 激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，该系统包括：激光器、斩波器、分光镜、光参量放大器、反射镜、二分之一波片、第一透镜、第二透镜和二向色镜，分光镜将激光器发射的800nm的激光分光为第一光束和第二光束，第一光束经过光参量放大器后输出波长为1200nm的信号光，该1200nm的信号光经过反射镜反射并经过第一透镜会聚后经由二向色镜透射出，二分之一波片将由分光镜射出的波长为800nm的第二光束的偏振方向转为与1200nm信号光的偏振方向一致，之后第二光束经过第二透镜会聚并经由二向色镜反射，经由二向色镜透射出的1200nm的信号光与经由二向色镜反射出的第二光束共线会聚后激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源。

Description

激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹波技术领域，具体而言，涉及一种利用非谐波飞秒激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统。

背景技术

将超短激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹波的技术，近年来引起了人们的广泛关注，该方法可在远处(可在几公里远)产生太赫兹波，所以应用前景十分美好。

当高能量的超短激光脉冲直接聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离而形成等离子体，由此所形成的有质动力会使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差，而且这种电荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的发生，从而辐射出太赫兹。

通过在超短激光脉冲中引入倍频晶体，混合基频波ω与二次谐波2ω共同聚焦空气而产生空气等离子体，可以大大提高太赫兹的产生效率。产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的ω与2ω光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混频过程。太赫兹场的极性和强度完全由ω与 2ω光束间的相对位相控制。当光学脉冲总能量超过空气等离子体形成的阈值时，太赫兹场的振幅与基频波的脉冲能量成正比(线性关系)，与二次谐波的脉冲能量的平方根成正比关系。在四波混频过程中，当所有光波 (ω光束、2ω光束及太赫兹波)的偏振态均相同时，产生的混频效果最佳。

以往的实验中一般选取基频波混合二次谐波的方法聚焦空气产生等离子体，从而产生太赫兹波。一般实验中使用800nm的激光经过倍频晶体后混合400nm的二次谐波聚焦空气产生太赫兹，但产生的太赫兹波强度依赖于倍频晶体的材料特性、光轴角度等，并且由于倍频晶体有损伤阈值，不能用很高功率进行泵浦，因此无法满足使用需求。

实用新型内容

本实用新型提供了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，以通过混合非谐波的方式产生高强度太赫兹波。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其包括：激光器、斩波器、分光镜、光参量放大器、反射镜、二分之一波片、第一透镜、第二透镜和二向色镜，所述分光镜经由所述光参量放大器、所述反射镜、所述第一透镜至所述二向色镜为第一路径，所述分光镜经由所述二分之一波片、所述第二透镜至所述二向色镜为第二路径，所述第一路径与第二路径光程相等，其中：

所述激光器发射波长为800nm的激光，所述斩波器对800nm的激光进行斩波，所述分光镜将800nm的激光分光为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1200nm并且偏振方向与原800nm的激光垂直的信号光，该1200nm的信号光与800nm的激光为非谐波，该1200nm 的信号光经过所述反射镜反射并经过所述第一透镜会聚后经由所述二向色镜透射出，所述二分之一波片将由所述分光镜射出的波长为800nm的第二光束的偏振方向转为与1200nm信号光的偏振方向一致，之后第二光束经过所述第二透镜会聚并经由所述二向色镜反射，经由所述二向色镜透射出的1200nm 的信号光与经由所述二向色镜反射出的第二光束共线会聚后激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源。

在本实用新型的一实施例中，所述激光器为飞秒激光放大器。

在本实用新型的一实施例中，所述斩波器的频率为15-20Hz。

在本实用新型的一实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜的材质为石英。

在本实用新型的一实施例中，所述反射镜为金属镜。

在本实用新型的一实施例中，激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统还包括一太赫兹波强度探测子系统，所述太赫兹波强度探测子系统包括第一离轴抛物面反射镜、滤波片、硅片、动镜、定镜、第二离轴抛物面反射镜和太赫兹波强度探测器，其中：

所述第一离轴抛物面反射镜将所述太赫兹辐射源产生的太赫兹波会聚形成一平行光束；

所述滤波片过滤掉所述平行光束中夹杂的1200nm的信号光和800nm的激光；

一部分太赫兹波透射出所述硅片形成第一波束，另一部分太赫兹波在所述硅片表面发射形成第二波束，其中，第一波束的传播路径为：第一波束传输至所述动镜、第一波束反射回所述硅片表面并在所述硅片表面发生反射、第一波束传输至所述第二离轴抛物面反射镜并在所述第二离轴抛物面反射镜表面发生反射以及第一波束由所述太赫兹波强度探测器接收，第二波束的传播路径为：第二波束传输至所述定镜、第二波束反射回所述硅片并透射过所述硅片、第二波束传输至所述第二离轴抛物面反射镜并在所述第二离轴抛物面反射镜表面发生反射以及第二波束由所述太赫兹波强度探测器接收；

改变所述动镜的位置以调节第一波束与第二波束的光程差，所述太赫兹波强度探测器对接收到的第一波束与第二波束进行自相关处理以得到太赫兹辐射源的自相关图。

在本实用新型的一实施例中，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。

在本实用新型的一实施例中，所述太赫兹辐射源的最高频率为10THz。

本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统具有以下优点：

(1)本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统结构简单、建置成本低、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。

(2)本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统产生的太赫兹波能量较强、光谱较宽，利于光谱测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统产生的太赫兹辐射源的自相关图；

图3为本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统产生的太赫兹波的强度随频率的分布图。

附图标记说明：1-激光器；2-斩波器；3-分光镜；4-光参量放大器；5-反射镜；6-二分之一波片；7-第一透镜；8-第二透镜；9-二向色镜；10-第一离轴抛物面反射镜；11-滤波片；12-硅片；13-动镜；14-定镜；15-第二离轴抛物面反射镜；16-太赫兹波强度探测器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统的结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统包括：激光器1、斩波器2、分光镜3、光参量放大器4、反射镜5、二分之一波片6、第一透镜7、第二透镜8和二向色镜9，分光镜3经由光参量放大器4、反射镜5、第一透镜7至二向色镜9为第一路径，分光镜3经由二分之一波片6、第二透镜8至二向色镜9为第二路径，第一路径与第二路径光程相等，其中：

激光器1发射波长为800nm的激光，激光器1可以采用飞秒激光放大器，例如美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光放大器Spitfire，斩波器2对 800nm的激光进行斩波，斩波器2的频率可以为15-20Hz，但不以此为限，也可根据需要选择其他参数的斩波器，分光镜3将800nm的激光分光为第一光束和第二光束，第一光束经过光参量放大器4后输出波长为1200nm并且偏振方向与原800nm的激光垂直的信号光，该1200nm的信号光与800nm的激光为非谐波，该1200nm的信号光经过反射镜5反射并经过第一透镜7 会聚后经由二向色镜9透射出，二分之一波片6将由分光镜3射出的波长为 800nm的第二光束的偏振方向转为与1200nm信号光的偏振方向一致，之后第二光束经过第二透镜8会聚并经由二向色镜9反射，经由二向色镜9透射出的1200nm的信号光与经由二向色镜9反射出的第二光束共线会聚后激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源。

当第一路径与第二路径光程相等时，可以产生较强的太赫兹波，当第一路径与第二路径光程不相等时，产生的太赫兹波强度下降。

另外，第二路径中的二分之一波片6也可以设置于第一路径中，以将波长为1200nm的信号光的偏振方向调整为与波长为800nm的激光的偏振方向一致。

本实用新型中的第一透镜7和第二透镜8的材质较佳为石英，这是由于石英对800nm和12nm波长的激光的透过率较高，能够提高太赫兹辐射源辐射出的太赫兹波的强度。反射镜5较佳为金属镜，以提高对1200nm波长激光的反射能力。

如图1所示，激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统还可以进一步包括一太赫兹波强度探测子系统(图1右侧部分)，太赫兹波强度探测子系统包括第一离轴抛物面反射镜10、滤波片11、硅片12、动镜13、定镜14、第二离轴抛物面反射镜15和太赫兹波强度探测器16，其中：

第一离轴抛物面反射镜10将太赫兹辐射源产生的太赫兹波会聚形成一平行光束；

滤波片11过滤掉平行光束中夹杂的1200nm的信号光和800nm的激光；

一部分太赫兹波透射出硅片形成第一波束，另一部分太赫兹波在硅片12 表面发射形成第二波束，其中，第一波束的传播路径为：第一波束传输至动镜13、第一波束反射回硅片12表面并在硅片12表面发生反射、第一波束传输至第二离轴抛物面反射镜15并在第二离轴抛物面反射镜15表面发生反射以及第一波束由太赫兹波强度探测器16接收，第二波束的传播路径为：第二波束传输至定镜14、第二波束反射回硅片12并透射过硅片12、第二波束传输至第二离轴抛物面反射镜15并在第二离轴抛物面反射镜15表面发生反射以及第二波束由太赫兹波强度探测器16接收；

其中，太赫兹波强度探测器16可以为热释电探测器或高莱探测器。

改变动镜13的位置(沿图1所示的双向箭头方向)以调节第一波束与第二波束的光程差，太赫兹波强度探测器16对接收到的第一波束与第二波束进行自相关处理以得到太赫兹辐射源的自相关图，如图2所示为太赫兹辐射源的自相关图，横坐标为位置延迟，也就是第一波束与第二波束的光程差，当第一波束与第二波束的光程差为零也即第一波束与第二波束光程相等时，探测到的太赫兹波信号强度最大，当第一波束的光程大于第二波束的光程或第二波束的光程大于第一波束的光程时，检测到的太赫兹波的信号强度均有所降低。

本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统可以通过改变激光器1发出的激光的强度得到不同强度的太赫兹波。

图3为本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统产生的太赫兹波的强度随频率的分布图，如图所示，太赫兹辐射源的最高频率可以达到10THz，这是现有的太赫兹波产生系统所不能达到的，因此，本实用新型填补了高强度太赫兹波产生领域的技术空白，具有较强的科研及实际应用价值。

综上，本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统具有以下优点：

(1)本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统结构简单、建置成本低、容易维护、稳定性较高，能够根据实际需要产生不同强度的太赫兹波，弥补了目前高强度太赫兹波产生技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。

(2)本实用新型提供的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统产生的太赫兹波能量较强、光谱较宽，利于光谱测量。

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实用新型所必须的。

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实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，包括：激光器、斩波器、分光镜、光参量放大器、反射镜、二分之一波片、第一透镜、第二透镜和二向色镜，所述分光镜经由所述光参量放大器、所述反射镜、所述第一透镜至所述二向色镜为第一路径，所述分光镜经由所述二分之一波片、所述第二透镜至所述二向色镜为第二路径，所述第一路径与第二路径光程相等，其中：

所述激光器发射波长为800nm的激光，所述斩波器对800nm的激光进行斩波，所述分光镜将800nm的激光分光为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1200nm并且偏振方向与原800nm的激光垂直的信号光，该1200nm的信号光与800nm的激光为非谐波，该1200nm的信号光经过所述反射镜反射并经过所述第一透镜会聚后经由所述二向色镜透射出，所述二分之一波片将由所述分光镜射出的波长为800nm的第二光束的偏振方向转为与1200nm信号光的偏振方向一致，之后第二光束经过所述第二透镜会聚并经由所述二向色镜反射，经由所述二向色镜透射出的1200nm的信号光与经由所述二向色镜反射出的第二光束共线会聚后激发空气中的等离子体并产生一太赫兹辐射源。

2.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述激光器为飞秒激光放大器。

3.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述斩波器的频率为15-20Hz。

4.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的材质为石英。

5.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述反射镜为金属镜。

6.根据权利要求1所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，还包括一太赫兹波强度探测子系统，所述太赫兹波强度探测子系统包括第一离轴抛物面反射镜、滤波片、硅片、动镜、定镜、第二离轴抛物面反射镜和太赫兹波强度探测器，其中：

所述第一离轴抛物面反射镜将所述太赫兹辐射源产生的太赫兹波会聚形成一平行光束；

所述滤波片过滤掉所述平行光束中夹杂的1200nm的信号光和800nm的激光；

一部分太赫兹波透射出所述硅片形成第一波束，另一部分太赫兹波在所述硅片表面发射形成第二波束，其中，第一波束的传播路径为：第一波束传输至所述动镜、第一波束反射回所述硅片表面并在所述硅片表面发生反射、第一波束传输至所述第二离轴抛物面反射镜并在所述第二离轴抛物面反射镜表面发生反射以及第一波束由所述太赫兹波强度探测器接收，第二波束的传播路径为：第二波束传输至所述定镜、第二波束反射回所述硅片并透射过所述硅片、第二波束传输至所述第二离轴抛物面反射镜并在所述第二离轴抛物面反射镜表面发生反射以及第二波束由所述太赫兹波强度探测器接收；

改变所述动镜的位置以调节第一波束与第二波束的光程差，所述太赫兹波强度探测器对接收到的第一波束与第二波束进行自相关处理以得到太赫兹辐射源的自相关图。

7.根据权利要求6所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹波强度探测器为热释电探测器或高莱探测器。

8.根据权利要求6或7所述的激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的系统，其特征在于，所述太赫兹辐射源的最高频率为10THz。