基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，包括：飞秒脉冲激光器模块、激光脉冲倍频及分束模块、脉冲偏振整形模块、脉冲同步模块、太赫兹辐射产生模块和太赫兹探测模块。本发明专利技术的优点在于与传统的飞秒光丝诱导的太赫兹波产生方式相比，本发明专利技术具有太赫兹强度增强作用，可有效调制太赫兹频谱，在太赫兹时域光谱、太赫兹成像和大气远处传感应用中具有潜在价值。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统
本专利技术属于太赫兹波产生领域，主要涉及利用飞秒激光脉冲产生和控制太赫兹波脉冲的方法。
技术介绍
太赫兹波即频率在0.1～10THz(1THz＝1012Hz)之间的电磁波，位于电磁波谱的微波和红外波段中间。太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，本身除了具有电磁波的波粒二象性外，还有低能性、相干性、瞬态性、高穿透性、光谱指纹特性、宽带性和水吸收性等优越独特的性质，因此太赫兹波在研究宇宙背景辐射、生物医学成像、癌症检测、药物毒品检测、爆炸物检测、无损成像、安检、无线通信等领域都有很大的研究价值和前景。从上个世纪九十年代至今，太赫兹波科学与技术一直是科研人员所青睐的研究课题，但由于缺乏高功率的太赫兹波辐射源和高灵敏度的探测器，该领域的进展相对缓慢。为了获得可探测、高分辨率的太赫兹波，微波专家们将微波技术推向高频，光学专家们则利用超快激光技术将产生辐射的频率推向低频。利用微波技术获得的太赫兹波的特点是功率高、频率低、窄带宽，如耿氏二极管振荡器可产生0.1THz以下的电磁振荡，输入特定的非线性电子元件才能得到倍频的太赫兹波；光学方法如利用超短飞秒脉冲激光产生太赫兹波可分为三种：①利用非中心对称晶体(如ZnTe)中的非线性光学整流现象，一个光脉冲光谱内频率相近的谱线进行差频产生宽带的太赫兹波；②飞秒脉冲激光冲击光电导天线产生光生载流子，光电导天线外加的直流电场加速载流子，振荡形成太赫兹波；③利用飞秒脉冲激光诱导气体等离子体辐射太赫兹波。这些方法产生的太赫兹波特点是宽频带、高信噪比、能量低。虽然低能量太赫兹波已经应用于诸多领域，但高能(脉冲能量大于微焦μJ)、强场(脉冲峰值电磁大于MV/m)的太赫兹辐射源意味着更尖端、更前沿、更创新的研究领域和应用。目前，针对不同的太赫兹波产生机制和条件，已有一些太赫兹场增强的方法，如增加泵浦脉冲激光的能量、增加外加静电场、铌酸锂晶体中的波前倾斜技术等。但是这些技术或多或少有一些缺陷，例如光电导天线中泵浦能量过高、外加直流电场过强都会损坏天线；泵浦脉冲光铌酸锂晶体中传播时脉宽会随之展宽，展宽后的脉冲不能再直接产生更多的太赫兹光子，从而限制了太赫兹辐射效率的进一步提高气体等离子体中泵浦能量过高产生的电荷屏蔽效应会阻碍太赫兹辐射的产生；在光丝外加静电场的方法不适用于太赫兹场在大气远程传感中。因此，如何在现有的太赫兹场增强的技术基础之上，研究出更高转换效率、高能量、高场强的太赫兹场辐射方法是十分有意义和价值的。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统。该太赫兹场增强系统提出了一种简单有效的光学控制方法实现太赫兹场增强和控制，还能调整聚焦透镜的焦距，使光丝在近/远距离形成，适用于太赫兹场的大气远程传感，弥补了在双色场光丝外加静电场的方法在这方面的不足。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，包括：飞秒脉冲激光器模块、激光脉冲倍频及分束模块、脉冲偏振整形模块、脉冲同步模块、太赫兹辐射产生模块和太赫兹探测模块；其中，所述飞秒脉冲激光器模块用于输出探测光和泵浦光；所述激光脉冲倍频及分束模块用于使所述泵浦光产生基波脉冲和二次谐波脉冲，并分离所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲；所述脉冲偏振整形模块用于使所述基波脉冲或所述二次谐波脉冲波包的偏振态从前沿到后沿的过程中旋转到与之偏振正交的方向上；所述脉冲同步模块用于使所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲之间在时域上保持同步；所述太赫兹辐射产生模块用于使所述脉冲偏振整形模块和所述脉冲同步模块输出的所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲合束，形成光丝重合，并辐射出偏振态可控、幅度更大的太赫兹场；所述太赫兹探测模块用于将所述太赫兹场和所述探测光同步入射在磷化镓晶体平面，所述磷化镓晶体产生双折射效应，使入射的所述探测光变成椭圆偏振态，通过差分探测技术获取信号幅值。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述飞秒脉冲激光器模块包括：飞秒脉冲激光器和分束镜；所述飞秒脉冲激光器为钛宝石飞秒脉冲激光器或掺镱光纤飞秒脉冲激光器。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述激光脉冲倍频及分束模块包括：倍频晶体和第一双色镜；所述泵浦光入射在所述倍频晶体上产生所述基波脉冲与所述二次谐波脉冲的混合光束，经第一双色镜分离。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述倍频晶体为非线性偏硼酸钡晶体或者三硼酸锂晶体。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述脉冲偏振整形模块包括：斩波器、第一1/2波片、多阶玻片和贝雷克补偿片；其中，所述基波脉冲经过所述斩波器调制所述基波脉冲或所述二次谐波脉冲后，经过所述第一1/2波片旋转，使其出射光偏振态与所述多阶玻片主轴夹角保持45°；所述基波脉冲或所述二次谐波脉冲经过所述多阶玻片和所述贝雷克补偿片后，波包的偏振态从前沿到后沿的过程中旋转到与之偏振正交的方向上；所述贝雷克补偿片可以控制所述波包从前沿到后沿过程中旋转偏振态的状态。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述脉冲同步模块包括多块平面镜，其构成光学延迟线。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述太赫兹辐射产生模块包括：第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和第二双色镜；其中，所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲分别由所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜进行聚焦后，由所述双色镜进行合束，形成光丝重合，光丝中的等离子体电子被光电场加速形成光电流，并辐射出太赫兹场。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述太赫兹探测模块包括：由多块平面镜构成光学延迟线、第二1/2波片、第三聚焦透镜、氧化铟锡、磷化镓晶体、偏振分光棱镜、第一光电探头、第二光电探头和锁相放大器；其中，所述探测光入射到光学延迟线后，经过所述第二1/2波片和所述第三聚焦透镜，与所述太赫兹场一起经过所述氧化铟锡合束并共同聚焦在所述磷化镓晶体上；所述探测光经过所述偏振分光棱镜将s-p光分量分离开来，并用所述第一光电探头和所述第二光电探头接收信号接入所述锁相放大器，获取信号幅值。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统中，所述太赫兹探测模块进一步包括：1/4波片和第四聚焦透镜；所述1/4波片用于调节所述太赫兹场与所述探测光相互作用之前其s-p分量幅值相等，然后经过所述第四聚焦透镜聚焦后精确入射到所述第一光电探头和所述第二光电探头的接收光敏面上。本专利技术提出的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统采用的方法是：第一步：将飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光序列分为两束，光场强度弱的一束作为探测光，强的一束作为泵浦光；泵浦光经过非线性倍频晶体产生二次谐波脉冲光束，然后用基波波段高透二次谐波波段高反的双色镜将两束脉冲光分离开来。第二步：两束光分离后，在基波(或者二次谐波)脉冲的传播过程中加入了脉冲同步模块和脉冲偏振整形模块；所述脉冲同步模块用来调整光程使其与二次谐波(或者基波)脉冲之间在时域上保持同步，所述脉冲偏振整形模块作用于基波(或者二次谐波)脉冲光束后，输出脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器模块(100)、激光脉冲倍频及分束模块(200)、脉冲偏振整形模块(300)、脉冲同步模块(400)、太赫兹辐射产生模块(500)和太赫兹探测模块(600)；其中，所述飞秒脉冲激光器模块(100)用于输出探测光和泵浦光；所述激光脉冲倍频及分束模块(200)用于使所述泵浦光产生基波脉冲和二次谐波脉冲，并分离所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲；所述脉冲偏振整形模块(300)用于使所述基波脉冲或所述二次谐波脉冲波包的偏振态从前沿到后沿的过程中旋转到与之偏振正交的方向上；所述脉冲同步模块(400)用于使所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲之间在时域上保持同步；所述太赫兹辐射产生模块(500)用于使所述脉冲偏振整形模块(300)和所述脉冲同步模块(400)输出的所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲合束，形成光丝重合，并辐射出偏振态可控、幅度更大的太赫兹场；所述太赫兹探测模块(600)用于将所述太赫兹场和所述探测光同步入射在磷化镓晶体平面，所述磷化镓晶体产生双折射效应，使入射的所述泵浦光变成椭圆偏振态，通过差分探测技术获取信号幅值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器模块(100)、激光脉冲倍频及分束模块(200)、脉冲偏振整形模块(300)、脉冲同步模块(400)、太赫兹辐射产生模块(500)和太赫兹探测模块(600)；其中，所述飞秒脉冲激光器模块(100)用于输出探测光和泵浦光；所述激光脉冲倍频及分束模块(200)用于使所述泵浦光产生基波脉冲和二次谐波脉冲，并分离所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲；所述脉冲偏振整形模块(300)用于使所述基波脉冲或所述二次谐波脉冲波包的偏振态从前沿到后沿的过程中旋转到与之偏振正交的方向上；所述脉冲同步模块(400)用于使所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲之间在时域上保持同步；所述太赫兹辐射产生模块(500)用于使所述脉冲偏振整形模块(300)和所述脉冲同步模块(400)输出的所述基波脉冲和所述二次谐波脉冲合束，形成光丝重合，并辐射出偏振态可控、幅度更大的太赫兹场；所述太赫兹探测模块(600)用于将所述太赫兹场和所述探测光同步入射在磷化镓晶体平面，所述磷化镓晶体产生双折射效应，使入射的所述探测光变成椭圆偏振态，通过差分探测技术获取信号幅值。2.如权利要求1所述的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器模块(100)包括：飞秒脉冲激光器(101)和分束镜(102)；所述飞秒脉冲激光器(101)为钛宝石飞秒脉冲激光器或掺镱光纤飞秒脉冲激光器(101)。3.如权利要求1所述的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，所述激光脉冲倍频及分束模块(200)包括：倍频晶体(201)和第一双色镜(202)；所述泵浦光入射在所述倍频晶体(201)上产生所述基波脉冲与所述二次谐波脉冲的混合光束，经第一双色镜(202)分离。4.如权利要求3所述的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，所述倍频晶体(201)为非线性偏硼酸钡晶体或三硼酸锂晶体。5.如权利要求1所述的基于脉冲偏振整形的双色场光丝诱导太赫兹场增强系统，其特征在于，所述脉冲偏振整形模块(300)包括：斩波器(301)、第一1/2波片(302)、多阶玻片(303)和贝雷克补偿片(304)；其中，所述基波脉冲经过所述斩波器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：南君义，何泊衢，曾和平，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31