激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統和方法，其中，該系統包括激光器、光參量放大器、衰減片、斬波器、第一、第二和第三離軸拋物面反射鏡、BBO晶體、濾波片和硅片，激光器用于發射波長為800nm的激光，800nm的激光經過光參量放大器后輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光，之后經過衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束，然后經過斬波器后由第一離軸拋物面反射鏡反射至BBO晶體；經由BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲輻射源，太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由第二、第三離軸拋物面反射鏡反射收集后再依次經過濾波片和硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。
【專利說明】
激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及太赫茲波技術領域，具體而言，涉及一種利用飛秒激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統和方法。
【背景技術】
[0002]將超短激光脈沖聚焦在周圍空氣中直接產生太赫茲的技術，近年來引起了人們的廣泛關注，該方法可在遠處(可在幾公里遠)產生太赫茲波，所以應用前景十分美好。
[0003]當高能量的超短激光脈沖聚焦在空氣中時，焦點處的空氣會發生電離而形成等離子體，由此所形成的有質動力會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程會導致強有力的電磁瞬變現象的發生，從而輻射出太赫茲。
[0004]產生太赫茲波的主要機制是在空氣等離子體中混合的ω與2ω光束發生的三階非線性光學效應，即四波混頻過程。太赫茲場的極性和強度完全由ω與2 ω光束間的相對位相控制。當光學脈沖總能量超過空氣等離子體形成的閾值時，太赫茲場的振幅與基頻波的脈沖能量成正比(線性關系)，與二次諧波的脈沖能量的平方根成正比關系。在四波混頻過程中，當所有光波(ω光束、2 ω光束及太赫茲波)的偏振態均相同時產生的混頻效果最佳。
[0005]空氣等離子體產生的太赫茲波具有超寬帶、脈寬窄、峰值功率高等特點。一般實驗中使用800nm的激光經過TDS系統產生太赫茲，但產生的太赫茲波強度并不是很大，無法滿足使用需求。
[0006]因此，如何利用空氣等離子體產生強度更大的太赫茲波，是本領域技術人員的一個重要研究方向。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統和方法，用以利用飛秒激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波。
[0008]為了達到上述目的，本發明提供了一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其包括依次設置在光路上的激光器、光參量放大器、衰減片、斬波器、第一離軸拋物面反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡、第三離軸拋物面反射鏡、BBO晶體、濾波片和硅片，其中:
[0009]所述激光器用于發射波長為SOOnm的激光，SOOnm的激光經過所述光參量放大器后輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光，波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過所述衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束，該總功率為設定值N的光束經過所述斬波器后由所述第一離軸拋物面反射鏡反射至所述BBO晶體；
[0010]經由所述BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲輻射源，所述太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由所述第二離軸拋物面反射鏡和所述第三離軸拋物面反射鏡反射后再依次經過所述濾波片和所述硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。
[0011]在本發明的一實施例中，可以通過控制所述衰減片調整N。
[0012]在本發明的一實施例中，當所述N分別為200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW 和 750mW 時，對應的 M 分別為 5.53861E-4 伏、
0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、0.01439伏、0.01975伏、0.02524伏、0.03161伏、0.03843伏、0.04623伏、0.05537伏和 0.0646伏。
[0013]在本發明的一實施例中，所述激光器為飛秒激光放大器。
[0014]在本發明的一實施例中，激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統還包括一設置在所述硅片后端的太赫茲波強度探測器。
[0015]在本發明的一實施例中，所述太赫茲波強度探測器為熱釋電探測器或高萊探測器。
[0016]在本發明的一實施例中，所述斬波器的頻率為15-20HZ，所述硅片的厚度為450μπι。
[0017]本發明還提供了一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的方法，其包括以下步驟:
[0018]S1:利用一激光器發射出一波長為800nm的激光；
[0019]S2:使波長為800nm的激光經過一光參量放大器并輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光；
[0020]S3:使波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過一衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束；
[0021]S4:使該總功率為設定值N的光束經過一斬波器后由一第一離軸拋物面反射鏡反射至一 BBO晶體；
[0022]S5:經由所述BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲輻射源；
[0023]S6:所述太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由一第二離軸拋物面反射鏡和一第三離軸拋物面反射鏡反射后再依次經過一濾波片和一硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。
[0024]本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統構成簡單、建置成本低、容易維護、穩定性高，能夠根據實際需要產生不同強度的太赫茲波，彌補了目前高強度太赫茲波產生技術領域的空白，具有較強的科研及實際應用價值。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統的示意圖；
[0027]圖2為混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖；
[0028]圖3為混合光束中僅波長為1400nm的信號光通過時，混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖；
[0029]圖4為混合光束中僅波長為1863.95nm的閑頻光通過時，混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖；
[0030]圖5為兩種光同時通過與分別通過再疊加得到的太赫茲波能量的對比圖。
[0031 ]附圖標記說明:1-激光器;2-光參量放大器;3-衰減片;4-斬波器;5-第一離軸拋物面反射鏡;6-第二離軸拋物面反射鏡;7-第三離軸拋物面反射鏡;8-BB0晶體;9-濾波片；10-硅片；11-太赫茲波強度探測器。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]圖1為本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統的示意圖，如圖所示，本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統包括依次設置在光路上的激光器1、光參量放大器2、衰減片3、斬波器4、第一離軸拋物面反射鏡5、第二離軸拋物面反射鏡6、第三離軸拋物面反射鏡7、BB0晶體8、濾波片9和硅片10，其中:
[0034]激光器I用于發射波長為SOOnm的激光，激光器可以采用飛秒激光放大器，例如美國Spectra-Physics公司生產的飛秒激光放大器Spitf ire，800nm的激光經過光參量放大器2后輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光，波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過衰減片3后衰減為一總功率為設定值N的光束，該總功率為設定值N的光束經過斬波器4后由第一離軸拋物面5反射鏡反射至BBO晶體8;其中，斬波器4的頻率可以選擇為15-20Hz，硅片1的厚度可以選擇為450μπι，也可根據實際需要選擇其他參數的斬波器和硅片，本發明不以此為限。
[0035]經由BBO晶體8射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲輻射源，太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由第二離軸拋物面反射鏡6和第三離軸拋物面反射鏡7反射后再依次經過濾波片9和硅片10濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。
[0036]本發明還提供了一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的方法，該方法可以通過上述激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統實現，其包括以下步驟:
[0037]S1:利用一激光器發射出一波長為800nm的激光；
[0038]S2:使波長為800nm的激光經過一光參量放大器并輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光；
[0039]S3:使波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過一衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束；
[0040]S4:使該總功率為設定值N的光束經過一斬波器后由一第一離軸拋物面反射鏡反射至一 BBO晶體；
[0041]S5:經由BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲福射源；
[0042]S6:太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由一第二離軸拋物面反射鏡和一第三離軸拋物面反射鏡反射后再依次經過一濾波片和一硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。
[0043]另外，本發明還可以在硅片后端設置一太赫茲波強度探測器11，如圖1所示，太赫茲波強度探測器可以選擇熱釋電探測器或高萊探測器，以實時探測輸出的太赫茲波的能量值，該能量值為太赫茲波的平均能量值。
[0044]在本發明中，可以通過控制衰減片得到不同功率的混合光束，繼而得到強度不同的太赫茲波，圖2為混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖，如圖2所示，當混合光束的功率 N 分別為 200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW時，對應的太赫茲能量M分別為5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、
0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。
[0045]由此可見，本發明通過飛秒激光激發空氣等離子體，可以產生強度更大的太赫茲波，這是由于波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光相互作用而實現的，而不是分別由波長為1400nm的信號光和與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光分別作用之后效果疊加而實現的。為了證明這一點，本案發明人還做了如下實驗:
[0046]在激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統中的衰減片后面增加一分光片，該分光片可控制僅波長為1400nm的信號光通過或僅波長為1863.95nm的閑頻光通過，另外控制混合光束的功率 N 分別為 200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW，利用太赫茲波強度探測器11檢測得到的太赫茲波的強度。
[0047]圖3為混合光束中僅波長為1400nm的信號光通過時，混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖，如圖所示，當混合光束的功率N分別為200mW、250mW、300mW、350mW、400mff、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW和750mW時，太赫茲能量M分別為2.09605E-4伏、2.59007E-4伏、3.27902E-4伏、3.97058E-4伏、4.7511E-4伏、5.59596E-4伏、6.48243E-4伏、7.31622E-4伏、8.1887E-4伏、9.24474E-4伏、0.00102伏和 0.00118 伏。
[0048]圖4為混合光束中僅波長為1863.95nm的閑頻光通過時，混合光束的功率與太赫茲能量之間的關系圖，如圖所示，當混合光束的功率N分別為200mW、250mW、300mW、350mW、400mW、450mW、500mW、550mW、600mW、650mW、700mW 和 750mW 時，太赫茲能量 M 分別為 9.51408E-5 伏、1.25659E-4 伏、1.6129E-4 伏、2.46149E-4 伏、3.20981E-4 伏、4.53261E-4 伏、6.78384E-
4伏、0.00107伏、0.00146伏、0.00207伏、0.00274伏和0.00356伏。
[0049]為了比較的更清楚，我們將波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光同時通過時得到的太赫茲能量與1400nm的信號光、波長為1863.95nm的閑頻光分別通過后再疊加得到的總的太赫茲能量繪制在同一坐標系下，如圖5所示為兩種光同時通過與分別通過再疊加得到的太赫茲波能量的對比圖，可見，波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光同時通過時得到的太赫茲波的能量隨著太赫茲波總功率增加而呈明顯上升趨勢，而若使這兩種光分別通過，雖然分別得到的太赫茲波的能量也隨著總功率的增加而增加(如圖3、圖4所示)，但是，這種情況下兩種光分別激發得到的太赫茲波的能量之和也遠遠不及兩種光混合通過時得到的太赫茲波的能量，尤其是當混合光的總功率大于400mW時，這一現象尤其明顯。
[0050]由上述實驗更進一步證明，波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光通過BBO晶體后，激發空氣中的等離子體產生的太赫茲輻射源的能量更大，這是由于這兩種光的混合作用而產生的。本案發明人經過多次實驗、分析及比較才得出“1400nm”和“1863.95nm”這兩個關鍵數值，在這兩個數值下，利用本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統或方法，能夠激發產生強度更大的太赫茲波，以滿足當前科學實驗和實際應用所需。目前尚未有其他公開文獻提出本發明的觀點，因此，本發明填補了高強度太赫茲波產生這一領域的技術空白，具有很大的應用前景。
[0051]本發明提供的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統構成簡單、建置成本低、容易維護、穩定性高，能夠根據實際需要產生不同強度的太赫茲波，彌補了目前高強度太赫茲波產生技術領域的空白，具有較強的科研及實際應用價值。
[0052]本領域普通技術人員可以理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。
[0053]本領域普通技術人員可以理解:實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
[0054]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，包括依次設置在光路上的激光器、光參量放大器、衰減片、斬波器、第一離軸拋物面反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡、第三離軸拋物面反射鏡、BBO晶體、濾波片和硅片，其中: 所述激光器用于發射波長為SOOnm的激光，SOOnm的激光經過所述光參量放大器后輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光，波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過所述衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束，該總功率為設定值N的光束經過所述斬波器后由所述第一離軸拋物面反射鏡反射至所述BBO晶體； 經由所述BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲輻射源，所述太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由所述第二離軸拋物面反射鏡和所述第三離軸拋物面反射鏡反射收集后再依次經過所述濾波片和所述硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。2.根據權利要求1所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，通過控制所述衰減片調整N。3.根據權利要求1所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，當所述?^分別為2001111、2501111、3001111、3501111、4001111、4501111、5001111、5501111、6001111650mW、700mW 和 750mW 時，對應的 M 分別為 5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。4.根據權利要求1所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，所述激光器為飛秒激光放大器。5.根據權利要求1所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，還包括一設置在所述硅片后端的太赫茲波強度探測器。6.根據權利要求5所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，所述太赫茲波強度探測器為熱釋電探測器或高萊探測器。7.根據權利要求1-6中任一項所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的系統，其特征在于，所述斬波器的頻率為15-20HZ，所述硅片的厚度為450μπι。8.—種激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:利用一激光器發射出一波長為800nm的激光； S2:使波長為800nm的激光經過一光參量放大器并輸出波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光； S3:使波長為1400nm的信號光及與其對應的波長為1863.95nm的閑頻光經過一衰減片后衰減為一總功率為設定值N的光束； S4:使該總功率為設定值N的光束經過一斬波器后由第一離軸拋物面反射鏡反射至一BBO晶體; S5:經由所述BBO晶體射出的光束聚焦電離空氣，激發空氣中的等離子體并產生一太赫茲福射源； S6:所述太赫茲輻射源發射的太赫茲波經由一第二離軸拋物面反射鏡和一第三離軸拋物面反射鏡反射后再依次經過一濾波片和一硅片濾波，即得到太赫茲能量為M的高強度太赫茲波。9.根據權利要求8所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的方法，其特征在于，通過控制所述衰減片調整N。10.根據權利要求8所述的激光激發空氣等離子體產生高強度太赫茲波的方法，其特征在于，當所述?^分別為2001111、2501111、3001111、3501111、4001111、4501111、5001111、5501111、6001111650mW、700mW 和 750mW 時，對應的 M 分別為 5.53861E-4伏、0.00167伏、0.00539伏、0.0095伏、.0.01439伏、0.01975 伏、0.02524伏、0.03161 伏、0.03843 伏、0.04623伏、0.05537 伏和0.0646伏。
【文檔編號】H01S1/02GK106099624SQ201610659656
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月11日 公開號201610659656.3, CN 106099624 A, CN 106099624A, CN 201610659656, CN-A-106099624, CN106099624 A, CN106099624A, CN201610659656, CN201610659656.3
【發明人】張亮亮, 黃素霞, 張銳, 張存林
【申請人】首都師范大學