一种产生超强太赫兹辐射的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种产生高功率太赫兹辐射的装置及方法，其装置包括一气体填充管；一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层和电离气体层；以及一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，以激发出多个相干的太赫兹辐射并最终叠加成一个超强太赫兹辐射。本发明专利技术具有如下技术效果：本发明专利技术采用的等离子体本身是完全电离的准中性介质，不存在被入射激光损坏的阈值，可以产生１００ＭＷ量级的ＴＨｚ辐射；通过两个入射激光脉冲间适当时间延迟控制，来控制腔管内气体密度的分布，使腔管内产生的单周期太赫兹脉冲实现相干叠加放大，产生准单周期的ＴＨｚ脉冲；转换效率大幅提高，并且可在台面尺度产生超强ＴＨｚ辐射。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于强场和超快物理
，具体地说，本专利技术涉及一种产生高功 率太赫兹辐射的装置及方法。
技术介绍
目前有关太赫兹(THz， 1012赫兹)电磁辐射的产生和应用受到物理学界广 泛关注。THz辐射的频率介于可见光和微波之间。凝聚态物质的声子频率、大分 子的振转频率在THz波段有很多特征指纹谱，并包含着非常丰富的物理和化学信 息。因此，在物理、材料、生物、信息等领域，用THz辐射对研究对象进行扫描 成像和光谱检测有着广泛的应用前景。但是，由于基于激光与固体材料作用产生 的THz辐射受转换效率低和材料破坏阈值的限制，目前的技术难以获得高功率的 辐射，无法满足在某些重要应用方面的需求。譬如快速二维空间实时成像，强场 凝聚态物理等研究需要场强达到100MV/m的THz辐射。为此，人们一直在寻找可 以产生超强THz辐射的新方案。国际上一些重要研究机构都在开展用等离子体和 高能电子加速器来产生超强THz辐射的研究。譬如，德国柏林电子储存环同步辐 射公司通过利用超短脉冲电子束获得超强的相干THz辐射；美国劳伦斯伯克利实 验室的科学家利用强激光产生的超短脉冲电子束穿过介质表面，产生超强的THz 辐射；美国的几个国家实验室联合研究把超短脉冲激光辐照砷化镓产生超短电子 束，经过加速后通过同步辐射产生超强的THz辐射。上述方案一般需要电子加速 器装置，成本高昂，体积过大,一般小型实验室难以获得，同时THz辐射产生的效 率不够高,相干性较难控制。等离子体作为一个非线性介质，有望可以用来产生超强太赫兹辐射。由激光 脉冲有质动力在稀薄等离子体中激发的电子等离子体波，其电场振幅可达 100GV/m，这种大振幅等离子体波的典型振动频率在太赫兹附近。理论和数值模 拟表明，在一定条件下，这种大振幅的电子等离子体波，可以通过模式转换，部 分地转换成THz电磁辐射。这种方案采用了大尺度不均匀等离子体作为THz辐射 产生介质。另一种将电子等离子体振荡转换成电磁辐射的办法是采用激光照射很薄的 均匀等离子体层，如图1所示。如果等离子体层2的厚度D趋近于THz辐射的 波长人TH，等离子体密度在1016 1018/cnf3，那么激光驱动的电子等离子体振荡可 以部分地转换成THz频段的电磁辐射。数值模拟研究也表明，当激光1以入射角 a入射到稀薄等离子体层2时，当D趋近于人TH时产生两个强度相当的THz脉冲 3、 4， 一个沿着激光入射方向，另一个在入射激光对于等离子体薄层的镜面反射 方向。此外，THz辐射的振幅与入射角的正弦值成正比。这个方案可以产生单周 期的THz辐射，并且其辐射强度与前一种方案相当。本专利技术主要采用了后一种THz辐射的产生原理，通过强激光的作用产生高强 度的THz辐射。
技术实现思路
本专利技术的目的是，克服现有技术的不足，提供一种尺寸小、且具有高转换效 率的产生高强度THz辐射的装置和方法。为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案 一种产生超强太赫兹辐射的装置，包括 一气体填充管；一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层 和电离气体层；以及一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，所述泵浦激光脉冲通过所述气体填 充管的侧壁多次反射，反复作用到所述电离气体层。上述技术方案中，所述真空层位于所述气体填充管的中心，所述真空层周围 形成电离气体层。上述技术方案中，所述气体填充管的侧壁采用对泵隔激光反射率大于90% 的材料制作；所述气体填充管的两端为对激光和太赫兹辐射透明的材料制作的镜 面。上述技术方案中，所述气体填充管的轴线方向与所述电离激光器的激光出射 方向相同；所述气体填充管的轴线方向与所述泵浦激光器的激光出射方向的夹角 大于0度，小于30度。上述技术方案中，所述气体填充管的内侧壁至少具有两个平行面；所述电离 气体层和与真空层的交界面也至少具有两个平行面，且该两个平行面与所述气体 填充管的内侧壁的两个平行面平行。上述技术方案中，在所述各平面的法线方向上，所述真空层的厚度与位于其 两侧的电离气体层的厚度均相等。上述技术方案中，所述真空层的厚度与两侧的电离气体层的厚度也可以不 等，电离气体层的密度密度分布可以不均匀，由此产生的THz辐射不是准单周 期的，但仍可以产生高功率的THz辐射。上述技术方案中，所述气体填充管的激光入射端面与所述泵浦激光器的激光 出射方向垂直。一种产生超强太赫兹辐射的方法，包括如下步骤1) 电离激光器发出中等强度的激光脉冲；该激光脉冲沿着气体填充管的轴 向传播，在其经过的路线上形成真空层，两侧形成电离气体层；2) 经过纳秒量级的时间延迟后，泵晡激光器发出强激光脉冲，该脉冲以一 定角度射入气体填充管，在气体填充管内经多次反射激发出超强的准单周期太赫 兹相干辐射。上述技术方案中，所述步骤1)中的中等强度的激光脉冲的强度低于 1016W/cm2，高于103W/cm2;其脉宽在皮秒量级。上述技术方案中，所述步骤2)中的高强度激光脉冲的强度大于10I7W/cm2， 脉宽在皮秒(10—12秒)量级，其入射方向与气体填充管的轴向的夹角大于O度， 小于30度。本专利技术具有如下技术效果本专利技术采用的等离子体本身是完全电离的准中性 介质，不存在被入射激光损坏的阈值(所谓材料的损坏阈值是指当入射激光强度 高到一定程度，将材料损坏对应的激光强度)，可以产生100MW量级的THz辐 射；通过两个入射激光脉冲间适当时间延迟控制，来控制腔管内气体密度的分布， 使腔管内产生的单周期太赫兹脉冲实现相干叠加放大，产生准单周期的THz脉 冲。另外，通常采用电光晶体、半导体和光导天线，通过光整流等方法产生THz 辐射的能量转换效率为10—6，而本专利技术的方案则有望将转换效率提高到10—4以上。再者，本专利技术还能够在台面尺度产生超强THz辐射。 附图说明图1是激光脉冲作用于单个薄层等离子体层产生的太赫兹辐射原理图；图2a是激光脉冲作用于两个薄层等离子体层产生的太赫兹辐射原理图，其中 稀薄等离子体层的厚度D〗与两等离子体层的间距D2不同，两等离子体层的外侧 是可以对入射激光有高反射率的金属；图2b是与图2a类似，其中等离子体层的厚度与两等离子体层的间距相同， 均为D;图3a是本专利技术的气体填充管结构设计图和原理图；图3b气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的一种状态；图3c气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的另一种 状态；这是最理想情况，可以产生准单周期THz辐射；图3d气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的又一种 状态；图3e气体填充管内经过电离脉冲作用后形成的电离气体密度分布的第四种 状态；图4a是本专利技术的工作示意图，其中采用的气体填充管两端平行；图4b是本专利技术的工作示意图，其中采用的气体填充管两端面不平行；这种设 计可以避免THz辐射的出射方向与入射激光的出射方向沿同方向出射。具体实施方式本专利技术是通过多次反射使得同一泵浦激光脉冲反复作用到等离子体薄层上， 从而激发出多个相干的太赫兹辐射，通过调整各反射点的位置，即可将各相干的 太赫兹辐射叠加而形成一个超强的太赫兹辐射。本专利技术的基本构思如下-如图1所示，如果只有单个的等离子体薄层，激光脉冲只作用一次，产生的太赫兹辐射效率比较低。如图2a，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生超强太赫兹辐射的装置，包括　一气体填充管；　一电离激光器，用于输出电离激光脉冲，以在所述气体填充管中形成真空层和电离气体层；以及　一泵浦激光器；用于输出泵浦激光脉冲，所述泵浦激光脉冲通过所述气体填充管的侧壁多次反射，反复作用到所述电离气体层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：盛政明，武慧春，张杰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]