單色超快激光成絲產生太赫茲輻射機理

1 單色超快激光與氣體介質作用成絲輻射太赫茲波的機制

相比太赫茲光整流和光導天線太赫茲源的方法, 超快激光與氣體介質作用成絲產生太赫茲波的方法不受介質損傷閾值的限制, 使用起來更加方便。目前超快激光成絲產生太赫茲波主要是, 通過單色激光場與氣體介質相互作用和雙色激光場與氣體介質相互作用, 這兩種方法產生太赫茲波的機理各不相同，用單色超快激光場與氣體介質作用形成等離子體產生太赫茲波的裝置, 實驗中使用0.8μm波長的飛秒激光通過聚焦透鏡Lens(f1)形成等離子拉絲, 最終輻射出徑向偏振的太赫茲波；另外四波混頻模型產生太赫茲輻射的一般實驗裝置圖, 實驗中同樣使用0.8μm波長的線偏振飛秒激光作為基頻的激發光, 二倍頻偏硼酸鋇晶體(BBO)用于產生二倍頻激光即0.4μm波長激光, 飛秒激光依次通過聚焦透鏡Lens(f2)和BBO, 與氣體介質相互作用產生等離子體拉絲, 最終得到線偏振太赫茲波。

2 提高太赫茲輻射效率的若干方法

單色超快激光與氣體介質作用產生太赫茲輻射效率的提高有很多方法, 在單色激光誘導形成拉絲的基礎上, 可以通過在拉絲周圍外加縱向電壓、外加橫向電壓、雙拉絲等方法獲得更強的太赫茲波。這些方法不需要復雜的光學元件和光學晶體, 不需脈沖之間的精確對齊或相位調整, 因此這些方法可以運用到更多的太赫茲技術應用中。除此以外, 這種簡單裝置產生的太赫茲源可以被放置在遠距離目標上, 能夠有效解決太赫茲波在遠距離傳輸中空氣中水蒸氣對太赫茲波吸收嚴重這一問題, 可以為接下來更多的探究奠定一定的基礎。

2.1 在拉絲周圍外加縱向電壓提高太赫茲波的輻射效率

對于純粹的渡越-切侖科夫輻射, 拉絲內部激光脈沖形成的有質動力產生了一個靜電場, 外加縱向電場可以與該靜電場疊加, 達到增大太赫茲輻射的效果。在單色激光誘導的拉絲上加縱向電壓, 即利用脈沖能量一定的單色激光, 通過聚焦形成等離子體拉絲, 并利用兩個尺寸不同的電極給拉絲兩端加上橫向電壓。在拉絲周圍外加縱向電場可以使太赫茲波的能量增大三個數量級, 增大之后的太赫茲波的偏振狀態和不加電場時的狀態是一樣的; 在拉絲周圍外加橫向電場的方法同樣可以使得太赫茲波能量增加三個數量級, 但增強后的太赫茲脈沖的輻射角度和偏振狀態均有一些改變。

2.2 產生單色場雙拉絲來提高太赫茲波的輻射效率

在單色激光誘導形成拉絲的基礎上, 采用雙拉絲的方法可以使得太赫茲輻射增大一個數量級, 增強后的太赫茲波的發散角度和偏振狀態都有所改變, 即通過使用了兩條飛秒激光脈沖, 分別在空氣中形成兩條重疊的拉絲, 并認為第一個和第二個脈沖分別經過渡越-切侖科夫輻射產生太赫茲波, 然而有趣的是, 最后產生的太赫茲信號比兩個脈沖單獨形成的太赫茲波信號相加的和至少大了一個數量級。這種方法一般適用于初始光的強度較弱的情況, 當初始光過強時反而不能增強, 即如果通過產生單色場雙拉絲的方法來提高太赫茲波的輻射效率, 那么對于初始光要有一定的限制, 具體的限制需要根據實驗裝置的參數來定。對比之前的放射狀偏振, 放大后的太赫茲波幾乎是嚴格線性偏振的, 其偏振方向并不依賴激光脈沖的偏振狀態, 它最大的輻射強度沿著激光傳播的方向。

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