本發(fā)明屬于超快光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于飛秒同向圓偏振雙色激光場產(chǎn)生太赫茲的裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲波，波長范圍介于0.03mm-3mm之間，對應(yīng)的頻率范圍0.1thz-10thz之間，頻譜上處于已經(jīng)被深入研究的微波和中紅外波之間。太赫茲具有獨特的性質(zhì)，對應(yīng)著豐富的應(yīng)用；因為分子的轉(zhuǎn)動和振動模式典型的共振頻率處于太赫茲頻率范圍之內(nèi)，所以太赫茲在物質(zhì)檢測和分析方面極具前景；因為太赫茲光子能量低，1thz對應(yīng)4.1mev，相比x射線可以做到無損和安全；因為太赫茲可以穿透常見的介質(zhì)材料，如紙質(zhì)、皮革、塑料、織物等，太赫茲在無損質(zhì)量控制、安全檢測以及生物成像領(lǐng)域潛力無窮。

利用飛秒激光成絲現(xiàn)象來產(chǎn)生太赫茲是一種常見的手段。飛秒單色激光場在空氣拉絲產(chǎn)生太赫茲，與高峰值功率的激光脈沖在焦點處的有質(zhì)動力有關(guān)，飛秒激光脈沖可以慣性地約束離子，有質(zhì)動力在電子和離子之間產(chǎn)生很大的密度差，電荷分離導(dǎo)致了很強(qiáng)的電磁瞬變現(xiàn)象，從而產(chǎn)生太赫茲。隨后，為了提高轉(zhuǎn)化率，出現(xiàn)了雙色場激光脈沖產(chǎn)生太赫茲的技術(shù)，相比于單色場產(chǎn)生太赫茲，轉(zhuǎn)化率能提高三個數(shù)量級。雙色場太赫茲的機(jī)制由光電流模型與四波混頻共同決定。但是科研工作者仍在探索更高轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)手段和物理機(jī)制來獲取高功率的太赫茲源。

近期，國防科技大學(xué)的孟超等人利用同向圓偏振雙色激光，相較于線偏光條件，在氮氣中轉(zhuǎn)化效率提高了5.3倍[appl.phys.lett.109,131105(2016)]。雖然太赫茲轉(zhuǎn)化效率得到提高，但是其實驗裝置采用馬赫貞德干涉裝置，并且雙色場之間的相位要保持穩(wěn)定，從而要進(jìn)行相位鎖定的額外處理，實現(xiàn)復(fù)雜，價格昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供的一種簡單、共線的基于飛秒同向圓偏振雙色激光場產(chǎn)生太赫茲的裝置，該裝置簡單，所需器件少，相較于傳統(tǒng)線偏雙色場產(chǎn)生太赫茲有五倍以上的增強(qiáng)效果。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種基于飛秒同向圓偏振雙色激光場產(chǎn)生太赫茲的裝置，特點是該裝置包括聚焦模塊、倍頻模塊、相對偏振調(diào)節(jié)模塊、時間走離補(bǔ)償模塊及偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊，所述的聚焦模塊連接倍頻模塊，倍頻模塊連接相對偏振調(diào)節(jié)模塊，相對偏振調(diào)節(jié)模塊連接時間走離補(bǔ)償模塊，時間走離補(bǔ)償模塊連接偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊，所述模塊之間共線連接；其中：

所述聚焦模塊為一塊透鏡或者多塊透鏡的組合，所述透鏡是平凸球面透鏡、非球面透鏡或柱透鏡，透鏡的焦距是100mm、150mm、200mm或250mm；透鏡的材質(zhì)是n-bk7、紫外熔融石英、氟化鈣或氟化鎂；透鏡不鍍膜或在650nm-1050nm波段鍍增透膜。

所述倍頻模塊采用β-bbo晶體，是type-i或者type-ii，厚度可以是但不限于1mm。

所述相對偏振調(diào)節(jié)模塊采用一塊雙波長波片，所述雙波長波片在800nm波長處有二分之一波長的相位改變，在400nm波長處有一個波長的相位改變。

所述時間走離補(bǔ)償模塊采用一對斜劈，斜劈的材質(zhì)是石英或方解石，斜劈之間的相對距離能夠調(diào)節(jié)。

所述偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊采用一塊超寬帶的四分之一波片，所述的超寬帶的四分之一波片作用范圍在310nm到1100nm之間，對于該范圍內(nèi)的所有波長的激光，都能改變四分之一波長的相位；所述的超寬帶四分之一波片，直徑可以是但不限于25mm。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：裝置簡便，實用性高，不需要額外的電路設(shè)備（相位鎖定電路），成本低。雙色場太赫茲的機(jī)理可以通過半經(jīng)典再散射模型描述：超短強(qiáng)脈沖激光作用在物質(zhì)上，電子通過隧穿電離穿過被激光電場扭曲的勢壘；隨后在激光電場的作用下加速，脫離原子核，成為自由電子；自由電子在運動的過程中形成一非線性的橫向電流，輻射太赫茲波。在激光峰值功率足夠高，線偏光和圓偏光產(chǎn)生的自由電子密度相同時，光電流強(qiáng)度主要取決于離化電子的漂移速度。有實驗已經(jīng)證明[appl.phys.lett.109,131105(2016)]，同向圓偏光相比于線偏光達(dá)到電離飽和的時候更接近于激光場達(dá)到峰值的時候；同向圓偏光獲得更強(qiáng)的矢量勢能，從而具有更快的漂移速度。與傳統(tǒng)的線偏振光雙色場產(chǎn)生太赫茲的裝置相比，太赫茲的轉(zhuǎn)化效率可以得到五倍的提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例具體光路示意圖。

具體實施方式

為了能更加清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)特征，現(xiàn)結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

參閱圖1，本發(fā)明分為五個模塊，分別是聚焦模塊100，倍頻模塊200，相對偏振調(diào)節(jié)模塊300，時間走離補(bǔ)償模塊400，偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊500。飛秒激光脈沖經(jīng)過聚焦模塊100，光束被匯聚并向前傳輸，經(jīng)過倍頻模塊200，產(chǎn)生與基頻光一起共線傳輸?shù)亩额l光。基頻光與二倍頻光都是線偏振光，通過相對偏振調(diào)節(jié)模塊300，使得基頻光與線偏光偏振方向平行。由于基頻光與倍頻光在空氣中的折射率不一樣，導(dǎo)致基頻光與倍頻光在時間上有一定的走離。兩者經(jīng)過時間走離補(bǔ)償模塊400后，時間上同步。最后經(jīng)過偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊500，使得線偏振的基頻光與倍頻光變成圓偏振光。這種形態(tài)的光在聚焦模塊100的焦距位置聚焦，高峰值功率的激光電離空氣產(chǎn)生等離子體與光克爾效應(yīng)的聚焦作用相平衡，在空氣中形成等離子體通道，在通道末端有太赫茲輻射產(chǎn)生。

實施例

圖2為具體光路結(jié)構(gòu)，本實施例中采用的激光器000為商用鈦寶石飛秒激光放大器，中心波長800nm，脈寬50fs，單脈沖能量最高10mj，重復(fù)頻率為1khz，水平線偏振激光輸出。激光器000所輸出的飛秒激光會依次共線地經(jīng)過聚焦模塊100，倍頻模塊200，相對偏振調(diào)節(jié)模塊300，時間走離補(bǔ)償模塊400，偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊500。所述的聚焦模塊100優(yōu)選為n-bk7材質(zhì)、b型鍍膜的平凸透鏡，焦距優(yōu)選為200mm。所述的倍頻模塊200優(yōu)選為type-i型1mm厚度的β-bbo晶體。所述的相對偏振調(diào)節(jié)模塊300優(yōu)選為800nm與400nm的雙波長波片，經(jīng)過波片后800nm激光改變二分之一波長相位，400nm激光改變一個波長相位，從而調(diào)節(jié)800nm激光線偏振與400nm激光線偏振平行。所述的時間走離補(bǔ)償裝置400優(yōu)選為一對石英斜劈，可以通過調(diào)節(jié)斜劈的相對位置從而調(diào)節(jié)基頻光與倍頻光的相對時間延時。所述的偏振態(tài)調(diào)節(jié)模塊500為超寬帶的四分之一波片，波長范圍在310nm-1100nm，能夠同時將800nm和400nm的線偏振光同時變成圓偏振光。

50fs、10mj、800nm波長的飛秒激光脈沖000經(jīng)過200mm的平凸透鏡100，縮束著向前傳輸，經(jīng)過type-i型0.2mm厚度的β-bbo晶體200，產(chǎn)生400nm倍頻光，倍頻效率為20%，與800nm基頻光一起共線傳輸?；l光與倍頻光都是線偏振光，基頻光與倍頻光的偏振狀態(tài)是垂直的，通過旋轉(zhuǎn)800nm與400nm的雙波長波片300，使得基頻光與線偏光偏振方向平行。由于基頻光與倍頻光在空氣中的折射率不一樣，導(dǎo)致基頻光與倍頻光在時間上有一定的走離。兩者經(jīng)過一對石英斜劈400后，時間上達(dá)到同步。最后經(jīng)過波長范圍310-1100nm寬帶的四分之一波片500，使得線偏振的基頻光與倍頻光變成圓偏振光。這種形態(tài)的光在平凸透鏡100的焦距200mm位置聚焦，高峰值功率的激光電離空氣產(chǎn)生等離子體與光克爾效應(yīng)的聚焦作用相平衡，在空氣中形成等離子體通道，在通道末端有太赫茲輻射產(chǎn)生。