本發(fā)明涉及太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種利用非諧波飛秒激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

將超短激光脈沖聚焦在周圍空氣中直接產(chǎn)生太赫茲波的技術(shù)，近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注，該方法可在遠(yuǎn)處(可在幾公里遠(yuǎn))產(chǎn)生太赫茲波，所以應(yīng)用前景十分美好。

當(dāng)高能量的超短激光脈沖直接聚焦在空氣中時(shí)，焦點(diǎn)處的空氣會(huì)發(fā)生電離而形成等離子體，由此所形成的有質(zhì)動(dòng)力會(huì)使離子電荷和電子電荷之間形成大的密度差，而且這種電荷分離過(guò)程會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)有力的電磁瞬變現(xiàn)象的發(fā)生，從而輻射出太赫茲。

通過(guò)在超短激光脈沖中引入倍頻晶體，混合基頻波ω與二次諧波2ω共同聚焦空氣而產(chǎn)生空氣等離子體，可以大大提高太赫茲的產(chǎn)生效率。產(chǎn)生太赫茲波的主要機(jī)制是在空氣等離子體中混合的ω與2ω光束發(fā)生的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，即四波混頻過(guò)程。太赫茲場(chǎng)的極性和強(qiáng)度完全由ω與2ω光束間的相對(duì)位相控制。當(dāng)光學(xué)脈沖總能量超過(guò)空氣等離子體形成的閾值時(shí)，太赫茲場(chǎng)的振幅與基頻波的脈沖能量成正比(線性關(guān)系)，與二次諧波的脈沖能量的平方根成正比關(guān)系。在四波混頻過(guò)程中，當(dāng)所有光波(ω光束、2ω光束及太赫茲波)的偏振態(tài)均相同時(shí)，產(chǎn)生的混頻效果最佳。

以往的實(shí)驗(yàn)中一般選取基頻波混合二次諧波的方法聚焦空氣產(chǎn)生等離子體，從而產(chǎn)生太赫茲波。一般實(shí)驗(yàn)中使用800nm的激光經(jīng)過(guò)倍頻晶體后混合400nm的二次諧波聚焦空氣產(chǎn)生太赫茲，但產(chǎn)生的太赫茲波強(qiáng)度依賴于倍頻晶體的材料特性、光軸角度等，并且由于倍頻晶體有損傷閾值，不能用很高功率進(jìn)行泵浦，因此無(wú)法滿足使用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法，以通過(guò)混合非諧波的方式產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)，其包括：激光器、斬波器、分光鏡、光參量放大器、反射鏡、二分之一波片、第一透鏡、第二透鏡和二向色鏡，所述分光片經(jīng)由所述光參量放大器、所述反射鏡、所述第一透鏡至所述二向色鏡為第一路徑，所述分光片經(jīng)由所述二分之一波片、所述第二透鏡至所述二向色鏡為第二路徑，所述第一路徑與第二路徑光程相等，其中：

所述激光器發(fā)射波長(zhǎng)為800nm的激光，所述斬波器對(duì)800nm的激光進(jìn)行斬波，所述分光鏡將800nm的激光分光為第一光束和第二光束，所述第一光束經(jīng)過(guò)所述光參量放大器后輸出波長(zhǎng)為1200nm并且偏振方向與原800nm的激光垂直的信號(hào)光，該1200nm的信號(hào)光與800nm的激光為非諧波，該1200nm的信號(hào)光經(jīng)過(guò)所述反射鏡反射并經(jīng)過(guò)所述第一透鏡會(huì)聚后經(jīng)由所述二向色鏡透射出，所述二分之一波片將由所述分光鏡射出的波長(zhǎng)為800nm的第二光束的偏振方向轉(zhuǎn)為與1200nm信號(hào)光的偏振方向一致，之后第二光束經(jīng)過(guò)所述第二透鏡會(huì)聚并經(jīng)由所述二向色鏡反射，經(jīng)由所述二向色鏡透射出的1200nm的信號(hào)光與經(jīng)由所述二向色鏡反射出的第二光束共線會(huì)聚后激發(fā)空氣中的等離子體并產(chǎn)生一太赫茲輻射源。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述激光器為飛秒激光放大器。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述斬波器的頻率為15-20Hz。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述第一透鏡和所述第二透鏡的材質(zhì)為石英。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述反射鏡為金屬鏡。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)還包括一太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)子系統(tǒng)，所述太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)子系統(tǒng)包括第一離軸拋物面反射鏡、濾波片、硅片、動(dòng)鏡、定鏡、第二離軸拋物面反射鏡和太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器，其中：

所述第一離軸拋物面反射鏡將所述太赫茲輻射源產(chǎn)生的太赫茲波會(huì)聚形成一平行光束；

所述濾波片過(guò)濾掉所述平行光束中夾雜的1200nm的信號(hào)光和800nm的激光；

一部分太赫茲波透射出所述硅片形成第一波束，另一部分太赫茲波在所述硅片表面發(fā)射形成第二波束，其中，第一波束的傳播路徑為：第一波束傳輸至所述動(dòng)鏡、第一波束反射回所述硅片表面并在所述硅片表面發(fā)生反射、第一波束傳輸至所述第二離軸拋物面反射鏡并在所述第二離軸拋物面反射鏡表面發(fā)生反射以及第一波束由所述太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器接收，第二波束的傳播路徑為：第二波束傳輸至所述定鏡、第二波束反射回所述硅片并透射過(guò)所述硅片、第二波束傳輸至所述第二離軸拋物面反射鏡并在所述第二離軸拋物面反射鏡表面發(fā)生反射以及第二波束由所述太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器接收；

改變所述動(dòng)鏡的位置以調(diào)節(jié)第一波束與第二波束的光程差，所述太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器對(duì)接收到的第一波束與第二波束進(jìn)行自相關(guān)處理以得到太赫茲輻射源的自相關(guān)圖。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述太赫茲輻射源的最高頻率為10THz。

本發(fā)明還提供了一種激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的方法，其包括以下步驟：

S1：利用一激光器發(fā)射出一波長(zhǎng)為800nm的激光；

S2：利用一分光鏡將800nm的激光分光為第一光束和第二光束；

S3：使所述第一光束經(jīng)過(guò)一光參量放大器后輸出波長(zhǎng)為1200nm并且偏振方向與原800nm的激光垂直的信號(hào)光；

S4：使波長(zhǎng)為1200nm的信號(hào)光經(jīng)過(guò)一反射鏡反射后再經(jīng)由一第一透鏡會(huì)聚；

S5：使波長(zhǎng)為800nm的第二光束通過(guò)一二分之一波片，以使其偏振方向轉(zhuǎn)為與1200nm信號(hào)光的偏振方向一致；

S6：使波長(zhǎng)為800nm的第二光束經(jīng)過(guò)一第二透鏡會(huì)聚；

S7：經(jīng)過(guò)第一透鏡會(huì)聚的波長(zhǎng)為1200nm的信號(hào)光經(jīng)由一二向色鏡透射，經(jīng)過(guò)第二透鏡會(huì)聚的波長(zhǎng)為800nm的第二光束經(jīng)由該二向色鏡反射，由該二向色鏡射出的兩束光共線會(huì)聚后激發(fā)空氣中的等離子體并產(chǎn)生一太赫茲輻射源。

本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建置成本低、容易維護(hù)、穩(wěn)定性較高，能夠根據(jù)實(shí)際需要產(chǎn)生不同強(qiáng)度的太赫茲波，彌補(bǔ)了目前高強(qiáng)度太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域的空白，具有較強(qiáng)的科研及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的太赫茲波能量較強(qiáng)、光譜較寬，利于光譜測(cè)量。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲輻射源的自相關(guān)圖；

圖3為本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲波的強(qiáng)度隨頻率的分布圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1-激光器；2-斬波器；3-分光鏡；4-光參量放大器；5-反射鏡；6-二分之一波片；7-第一透鏡；8-第二透鏡；9-二向色鏡；10-第一離軸拋物面反射鏡；11-濾波片；12-硅片；13-動(dòng)鏡；14-定鏡；15-第二離軸拋物面反射鏡；16-太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提供的一種激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)包括：激光器1、斬波器2、分光鏡3、光參量放大器4、反射鏡5、二分之一波片6、第一透鏡7、第二透鏡8和二向色鏡9，分光片3經(jīng)由光參量放大器4、反射鏡5、第一透鏡7至二向色鏡9為第一路徑，分光片3經(jīng)由二分之一波片6、第二透鏡8至二向色鏡9為第二路徑，第一路徑與第二路徑光程相等，其中：

激光器1發(fā)射波長(zhǎng)為800nm的激光，激光器1可以采用飛秒激光放大器，例如美國(guó)Spectra-Physics公司生產(chǎn)的飛秒激光放大器Spitfire，斬波器2對(duì)800nm的激光進(jìn)行斬波，斬波器2的頻率可以為15-20Hz，但不以此為限，也可根據(jù)需要選擇其他參數(shù)的斬波器，分光鏡3將800nm的激光分光為第一光束和第二光束，第一光束經(jīng)過(guò)光參量放大器4后輸出波長(zhǎng)為1200nm并且偏振方向與原800nm的激光垂直的信號(hào)光，該1200nm的信號(hào)光與800nm的激光為非諧波，該1200nm的信號(hào)光經(jīng)過(guò)反射鏡5反射并經(jīng)過(guò)第一透鏡7會(huì)聚后經(jīng)由二向色鏡9透射出，二分之一波片6將由分光鏡3射出的波長(zhǎng)為800nm的第二光束的偏振方向轉(zhuǎn)為與1200nm信號(hào)光的偏振方向一致，之后第二光束經(jīng)過(guò)第二透鏡8會(huì)聚并經(jīng)由二向色鏡9反射，經(jīng)由二向色鏡9透射出的1200nm的信號(hào)光與經(jīng)由二向色鏡9反射出的第二光束共線會(huì)聚后激發(fā)空氣中的等離子體并產(chǎn)生一太赫茲輻射源。

當(dāng)?shù)谝宦窂脚c第二路徑光程相等時(shí)，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的太赫茲波，當(dāng)?shù)谝宦窂脚c第二路徑光程不相等時(shí)，產(chǎn)生的太赫茲波強(qiáng)度下降。

另外，第二路徑中的二分之一波片6也可以設(shè)置于第一路徑中，以將波長(zhǎng)為1200nm的信號(hào)光的偏振方向調(diào)整為與波長(zhǎng)為800nm的激光的偏振方向一致。

本發(fā)明中的第一透鏡7和第二透鏡8的材質(zhì)較佳為石英，這是由于石英對(duì)800nm和12nm波長(zhǎng)的激光的透過(guò)率較高，能夠提高太赫茲輻射源輻射出的太赫茲波的強(qiáng)度。反射鏡5較佳為金屬鏡，以提高對(duì)1200nm波長(zhǎng)激光的反射能力。

如圖1所示，激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)還可以進(jìn)一步包括一太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)子系統(tǒng)(圖1右側(cè)部分)，太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)子系統(tǒng)包括第一離軸拋物面反射鏡10、濾波片11、硅片12、動(dòng)鏡13、定鏡14、第二離軸拋物面反射鏡15和太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器16，其中：

第一離軸拋物面反射鏡10將太赫茲輻射源產(chǎn)生的太赫茲波會(huì)聚形成一平行光束；

濾波片11過(guò)濾掉平行光束中夾雜的1200nm的信號(hào)光和800nm的激光；

一部分太赫茲波透射出硅片形成第一波束，另一部分太赫茲波在硅片12表面發(fā)射形成第二波束，其中，第一波束的傳播路徑為：第一波束傳輸至動(dòng)鏡13、第一波束反射回硅片12表面并在硅片12表面發(fā)生反射、第一波束傳輸至第二離軸拋物面反射鏡15并在第二離軸拋物面反射鏡15表面發(fā)生反射以及第一波束由太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器16接收，第二波束的傳播路徑為：第二波束傳輸至定鏡14、第二波束反射回硅片12并透射過(guò)硅片12、第二波束傳輸至第二離軸拋物面反射鏡15并在第二離軸拋物面反射鏡15表面發(fā)生反射以及第二波束由太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器16接收；

其中，太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器16可以為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。

改變動(dòng)鏡13的位置(沿圖1所示的雙向箭頭方向)以調(diào)節(jié)第一波束與第二波束的光程差，太赫茲波強(qiáng)度探測(cè)器16對(duì)接收到的第一波束與第二波束進(jìn)行自相關(guān)處理以得到太赫茲輻射源的自相關(guān)圖，如圖2所示為太赫茲輻射源的自相關(guān)圖，橫坐標(biāo)為位置延遲，也就是第一波束與第二波束的光程差，當(dāng)?shù)谝徊ㄊc第二波束的光程差為零也即第一波束與第二波束光程相等時(shí)，探測(cè)到的太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度最大，當(dāng)?shù)谝徊ㄊ墓獬檀笥诘诙ㄊ墓獬袒虻诙ㄊ墓獬檀笥诘谝徊ㄊ墓獬虝r(shí)，檢測(cè)到的太赫茲波的信號(hào)強(qiáng)度均有所降低。

本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)可以通過(guò)改變激光器1發(fā)出的激光的強(qiáng)度得到不同強(qiáng)度的太赫茲波。

圖3為本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲波的強(qiáng)度隨頻率的分布圖，如圖所示，太赫茲輻射源的最高頻率可以達(dá)到10THz，這是現(xiàn)有的太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)所不能達(dá)到的，因此，本發(fā)明填補(bǔ)了高強(qiáng)度太赫茲波產(chǎn)生領(lǐng)域的技術(shù)空白，具有較強(qiáng)的科研及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明還提供了一種激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的方法，該方法為使用圖1所示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其包括以下步驟：

S1：利用一激光器發(fā)射出一波長(zhǎng)為800nm的激光；

S2：利用一分光鏡將800nm的激光分光為第一光束和第二光束；

S3：使第一光束經(jīng)過(guò)一光參量放大器后輸出波長(zhǎng)為1200nm并且偏振方向與原800nm的激光垂直的信號(hào)光；

S4：使波長(zhǎng)為1200nm的信號(hào)光經(jīng)過(guò)一反射鏡反射后再經(jīng)由一第一透鏡會(huì)聚；

S5：使波長(zhǎng)為800nm的第二光束通過(guò)一二分之一波片，以使其偏振方向轉(zhuǎn)為與1200nm信號(hào)光的偏振方向一致；

S6：使波長(zhǎng)為800nm的第二光束經(jīng)過(guò)一第二透鏡會(huì)聚；

S7：經(jīng)過(guò)第一透鏡會(huì)聚的波長(zhǎng)為1200nm的信號(hào)光經(jīng)由一二向色鏡透射，經(jīng)過(guò)第二透鏡會(huì)聚的波長(zhǎng)為800nm的第二光束經(jīng)由該二向色鏡反射，由該二向色鏡射出的兩束光共線會(huì)聚后激發(fā)空氣中的等離子體并產(chǎn)生一太赫茲輻射源。

綜上，本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建置成本低、容易維護(hù)、穩(wěn)定性較高，能夠根據(jù)實(shí)際需要產(chǎn)生不同強(qiáng)度的太赫茲波，彌補(bǔ)了目前高強(qiáng)度太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域的空白，具有較強(qiáng)的科研及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明提供的激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的太赫茲波能量較強(qiáng)、光譜較寬，利于光譜測(cè)量。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)施例中的裝置中的模塊可以按照實(shí)施例描述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。