通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法
2023-06-15 23:48:41 1
通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，基頻光採用脈衝展寬的方法進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光；倍頻光經過反光鏡和光束延時系統後，再與時域展寬後的基頻光進行空間合束，倍頻光與基頻光中不同波長的光相互作用產生不同頻率的太赫茲波，被太赫茲波探測系統接收。通過光束延時系統可以自由調節基頻光和倍頻光產生的兩個脈衝之間的相對時間重合點。在實際操作過程中，只需要控制倍頻光路中的光束延時系統，就可實現兩個脈衝之間相對時間重合點的改變，從而調整太赫茲波的中心頻率；該方法適用於各種波長的超短脈衝雷射。
【專利說明】通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電磁波調整技術，特別涉及一種連續調節太赫茲波中心頻率的方法。
【背景技術】
[0002]太赫茲波，是指頻率在0.1-10 THz範圍內的電磁波(ITHz=IO12 Hz)，在電磁波譜中位於微波與紅外輻射之間，是電子學與光子學、宏觀與微觀之間的過渡區域。在上世紀80年代中期以前，人們對這個頻段的電磁波知之甚少，形成了微波與紅外輻射之間所謂的「太赫茲間隙」。由於太赫茲波在物理、化學、天文學、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域，以及安全檢查、醫學成像、環境監測、食品檢驗等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的應用前景，目前，包括美國、西歐和日本在內的世界各國都對太赫茲波技術的研究給予了高度重視，投入大量人力物力開展了與各自領域相關的太赫茲波技術的研究。研究出高功率、高效率、寬帶可調諧、穩定的太赫茲輻射源已成為21世紀科研工作者追求的目標和迫切需要解決的實際問題。
[0003]近幾年，廣泛應用的太赫茲波產生方法有光電導天線和光整流方法，但這兩種方法都存在一定的損傷閾值，在太赫茲應用方面受到了限制，直到利用氣體等離子體產生太赫茲波方法的發現，才有效地拓寬了太赫茲波在各領域的應用。並且，利用氣體等離子體產生太赫茲波的方法具有製備簡單、無損傷閾值、且產生的太赫茲波頻譜寬能量強的優點。
[0004]目前，利用氣體等離子體產生太赫茲波的方法主要有兩種:一，直接將超短脈衝雷射在空氣中聚焦形成等離子體細絲，由此輻射出錐形太赫茲波；二，利用超短脈衝雷射基頻和它的二次諧波同時在空氣中聚焦形成等離子體細絲產生較強的太赫茲輻射波。其中，第二種方法的太赫茲波能量更強且轉換效率更高。但是這兩種方法產生的太赫茲波中心頻率都由初始超短脈衝雷射決定，無法調整。基於這些實驗上的種種不便捷性，目前還沒有可連續調節太赫茲波中心頻率的實驗裝置出現。
【發明內容】
[0005]本發明是針對目前太赫茲脈衝產生技術方法大多只能產生單一中心頻率的太赫茲波的問題，提出了 一種通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，能夠實現連續調節太赫茲波中心頻率的功能。。
[0006]本發明的技術方案為:一種通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，基頻光採用脈衝展寬的方法進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光；倍頻光經過反光鏡和光束延時系統後，再與時域展寬後的基頻光進行空間合束，倍頻光與基頻光中不同波長的光相互作用產生不同頻率的太赫茲波，被太赫茲波探測系統接收。
[0007]所述將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，可採用以下兩方法其中一種:
方法1:雷射光源發出的初始脈衝雷射通過倍頻晶體後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片後基頻光和倍頻光分開；
方法2:雷射光源發出的初始脈衝雷射通過倍頻晶體後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片後基頻光和倍頻光分開。
[0008]所述倍頻光經過帶通濾波片濾除基頻光處理後，再經過入射反射鏡組反射進入光束延時系統進行延時，再經過出射反射鏡組反射，與時域展寬後的基頻光經反射鏡反射的展寬脈衝通過合束片合成一束。所述通過合束片合成的光束通過凸透鏡後在焦點附近形成氣體等離子體，使倍頻光與基頻光中不同波長的光波利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統。
[0009]本發明的有益效果在於:本發明通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，裝置簡單，容易操作，可以自由調節兩個脈衝之間的相對時間重合點。在實際操作過程中，只需要控制倍頻光路中的光束延時系統9，就可實現兩個脈衝之間相對時間重合點的改變，從而調整太赫茲波的中心頻率；該方法適用於各種波長的超短脈衝雷射。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調實現實施例一裝置結構示意圖；
圖2為本發明通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調實現實施例二裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法:是將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，基頻光採用脈衝展寬的方法進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光，再將時域展寬後的基頻光和倍頻光進行空間合束，通過控制兩個脈衝之間的相對時間延時，使倍頻光與基頻光中不同波長的光相互作用，基於四波混頻原理產生不同頻率的太赫茲波，從而實現連續調節太赫茲波中心頻率的功能。
[0012]如圖1所示通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調實現實施例一裝置結構示意圖，包括雷射光源1、單色分束片2、雷射脈衝展寬系統3、反射鏡4、倍頻晶體5、帶通濾波片6、反射鏡7、反射鏡8、光束延時系統9、反射鏡10、合束片11、凸透鏡12、太赫茲波探測系統13。雷射光源I發出的初始脈衝雷射通過單色分束片2後，透射光束進入雷射脈衝展寬系統3進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光，反射光束依次經過倍頻晶體5和帶通濾波片6後得到初始脈衝雷射的倍頻光，倍頻光經反射鏡7和8反射後通過光束延時系統9，再由反射鏡10反射，與時域展寬後的基頻光經反射鏡4反射的展寬脈衝通過合束片11合成一束，合成的光束通過凸透鏡12後在焦點附近形成氣體等離子體，利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統13。
[0013]如圖2所示通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調實現實施例二裝置結構示意圖:包括雷射光源1、雷射脈衝展寬系統3、反射鏡4、倍頻晶體5、帶通濾波片6、反射鏡7、反射鏡8、光束延時系統9、反射鏡10、合束片11、凸透鏡12、太赫茲波探測系統13和雙色分束片14，雷射光源I發出的初始脈衝雷射通過倍頻晶體5後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片14後基頻光和倍頻光分開，基頻光進入雷射脈衝展寬系統3進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光，倍頻光經過帶通濾波片6濾除基頻光後，經反射鏡7和8反射後通過光束延時系統9，再由反射鏡10反射，與時域展寬後的基頻光經反射鏡4反射的展寬脈衝通過合束片11合成一束，合成的光束通過凸透鏡12後在焦點附近形成氣體等離子體，利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統13。由於透射光束通過雷射脈衝展寬系統3後得到的是啁啾脈衝，其不同波長的光在時域上依次拉開，所以通過光束延時系統9控制時域展寬後的基頻光和倍頻光之間的相對時間重合點，從而實現初始脈衝雷射的倍頻光與基頻光中不同波長的光利用四波混頻產生不同頻率的太赫茲波，由此實現太赫茲波的中心頻率連續可調。雷射脈衝展寬系統3可選用光柵展寬器、稜鏡對展寬器或中空光纖展寬系統。
[0014]以輸出光中心波長為800 nm的雷射器為例，其他波段與該波段的實施方法一致。
[0015]雷射器輸出光中心波長為800 nm，光譜範圍780-820 nm，脈衝寬度為30 fs，重複頻率I KHz，以BBO倍頻晶體獲得400 nm的倍頻光為例，選用實施例一裝置，選用中空光纖展寬系統將30 fs的初始脈衝雷射展寬為60 fs的啁啾脈衝，光譜範圍變為700-900 nm，具體實現太赫茲波中心頻率的調節過程如下:由雷射光源I發出的初始脈衝雷射通過單色分束片2 (分束比1:1)後，透射光束進入雷射脈衝展寬系統3進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光，反射光束依次經過BBO倍頻晶體5和帶通濾波片6後得到初始脈衝雷射的倍頻光(中心波長400 nm，脈衝寬度40 fs)，倍頻光經反射鏡7和反射鏡8反射後通過光束延時系統9，再由反射鏡10反射，與經反射鏡4反射的基頻光通過合束片11合成一束，合成的光束通過凸透鏡12 (焦距300 mm)後在焦點附近形成氣體等離子體，利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統13。透射光束通過雷射脈衝展寬系統3後得到的是脈衝寬度為60 fs的啁啾脈衝，其不同波長的光在時域上依次拉開，通過光束延時系統9控制時域展寬後的基頻光和倍頻光之間的相對時間重合點，使倍頻光與基頻光中不同波長的光波利用四波混頻過程產生不同頻率的太赫茲波。例如，當倍頻光400 nm與基頻光770 nm作用得到波長為10.3 μπι的太赫茲波，調整光束延時系統9，當倍頻光400 nm與基頻光810 nm作用時得到波長為32.4 μ m的太赫茲波，由此實現太赫茲波的中心頻率連續可調。
[0016]選用實施例二裝置，選用光柵展寬器將30 fs的初始脈衝雷射展寬為30 ps的啁啾脈衝，光譜範圍不變，具體實現太赫茲波中心頻率的調節過程如下:雷射光源I發出的初始脈衝雷射通過BBO倍頻晶體5後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片14(800 nm的基頻光透過，400 nm的倍頻光反射)後基頻光和倍頻光分開，基頻光進入雷射脈衝展寬系統3進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光，倍頻光經過帶通濾波片6濾除基頻光後，經反射鏡7和8反射後通過光束延時系統9，再由反射鏡10反射，與經反射鏡4反射的展寬脈衝通過合束片11合成一束，合成的光束通過凸透鏡12 (焦距300 mm)後在焦點附近形成氣體等離子體，利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統13。基頻光通過中雷射脈衝展寬系統3後得到的是脈衝寬度為30 ps的啁啾脈衝，其不同波長的光在時域上依次拉開，通過光束延時系統9控制時域展寬後的基頻光和倍頻光之間的相對時間重合點，使倍頻光與基頻光中不同波長的光波利用四波混頻過程產生不同頻率的太赫茲波。例如，當倍頻光400 nm與基頻光795 nm作用得到波長為63.6 μ m的太赫茲波，調整光束延時系統9，當倍頻光400 nm與基頻光803 nm作用時得到波長為107 μ m的太赫茲波，由此實現太赫茲波的中心頻率連續可調。
【權利要求】
1.一種通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，其特徵在於， 將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，基頻光採用脈衝展寬的方法進行時域展寬，得到時域展寬後的基頻光；倍頻光經過反光鏡和光束延時系統後，再與時域展寬後的基頻光進行空間合束，倍頻光與基頻光中不同波長的光相互作用產生不同頻率的太赫茲波，被太赫茲波探測系統接收。
2.根據權利要求1所述通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，其特徵在於，所述將初始脈衝雷射分成基頻光和倍頻光，可採用以下兩方法其中一種: 方法1:雷射光源發出的初始脈衝雷射通過倍頻晶體後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片後基頻光和倍頻光分開； 方法2:雷射光源發出的初始脈衝雷射通過倍頻晶體後，得到基頻光和倍頻光的混合光束，經過雙色分束片後基頻光和倍頻光分開。
3.根據權利要求2所述通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，其特徵在於，所述倍頻光經過帶通濾波片濾除基頻光處理後，再經過入射反射鏡組反射進入光束延時系統進行延時，再經過出射反射鏡組反射，與時域展寬後的基頻光經反射鏡反射的展寬脈衝通過合束片合成一束。
4.根據權利要求3所述通過脈衝雷射展寬實現太赫茲波中心頻率連續可調的方法，其特徵在於，所述通過合束片合成的光束通過凸透鏡後在焦點附近形成氣體等離子體，使倍頻光與基頻光中不同波長的光波利用四波混頻原理產生太赫茲波進入太赫茲波探測系統。
【文檔編號】H01S4/00GK103840366SQ201410081388
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】彭灩, 朱亦鳴, 周雲燕, 羅坤, 陳向前, 方丹, 鍾宇, 鄭書琦, 莊松林 申請人:上海理工大學, 江蘇拓領光電科技有限公司