单色超快激光成丝产生太赫兹辐射机理

1 单色超快激光与气体介质作用成丝辐射太赫兹波的机制

相比太赫兹光整流和光导天线太赫兹源的方法, 超快激光与气体介质作用成丝产生太赫兹波的方法不受介质损伤阈值的限制, 使用起来更加方便。目前超快激光成丝产生太赫兹波主要是, 通过单色激光场与气体介质相互作用和双色激光场与气体介质相互作用, 这两种方法产生太赫兹波的机理各不相同，用单色超快激光场与气体介质作用形成等离子体产生太赫兹波的装置, 实验中使用0.8μm波长的飞秒激光通过聚焦透镜Lens(f1)形成等离子拉丝, 最终辐射出径向偏振的太赫兹波；另外四波混频模型产生太赫兹辐射的一般实验装置图, 实验中同样使用0.8μm波长的线偏振飞秒激光作为基频的激发光, 二倍频偏硼酸钡晶体(BBO)用于产生二倍频激光即0.4μm波长激光, 飞秒激光依次通过聚焦透镜Lens(f2)和BBO, 与气体介质相互作用产生等离子体拉丝, 最终得到线偏振太赫兹波。

2 提高太赫兹辐射效率的若干方法

单色超快激光与气体介质作用产生太赫兹辐射效率的提高有很多方法, 在单色激光诱导形成拉丝的基础上, 可以通过在拉丝周围外加纵向电压、外加横向电压、双拉丝等方法获得更强的太赫兹波。这些方法不需要复杂的光学元件和光学晶体, 不需脉冲之间的精确对齐或相位调整, 因此这些方法可以运用到更多的太赫兹技术应用中。除此以外, 这种简单装置产生的太赫兹源可以被放置在远距离目标上, 能够有效解决太赫兹波在远距离传输中空气中水蒸气对太赫兹波吸收严重这一问题, 可以为接下来更多的探究奠定一定的基础。

2.1 在拉丝周围外加纵向电压提高太赫兹波的辐射效率

对于纯粹的渡越-切仑科夫辐射, 拉丝内部激光脉冲形成的有质动力产生了一个静电场, 外加纵向电场可以与该静电场叠加, 达到增大太赫兹辐射的效果。在单色激光诱导的拉丝上加纵向电压, 即利用脉冲能量一定的单色激光, 通过聚焦形成等离子体拉丝, 并利用两个尺寸不同的电极给拉丝两端加上横向电压。在拉丝周围外加纵向电场可以使太赫兹波的能量增大三个数量级, 增大之后的太赫兹波的偏振状态和不加电场时的状态是一样的; 在拉丝周围外加横向电场的方法同样可以使得太赫兹波能量增加三个数量级, 但增强后的太赫兹脉冲的辐射角度和偏振状态均有一些改变。

2.2 产生单色场双拉丝来提高太赫兹波的辐射效率

在单色激光诱导形成拉丝的基础上, 采用双拉丝的方法可以使得太赫兹辐射增大一个数量级, 增强后的太赫兹波的发散角度和偏振状态都有所改变, 即通过使用了两条飞秒激光脉冲, 分别在空气中形成两条重叠的拉丝, 并认为第一个和第二个脉冲分别经过渡越-切仑科夫辐射产生太赫兹波, 然而有趣的是, 最后产生的太赫兹信号比两个脉冲单独形成的太赫兹波信号相加的和至少大了一个数量级。这种方法一般适用于初始光的强度较弱的情况, 当初始光过强时反而不能增强, 即如果通过产生单色场双拉丝的方法来提高太赫兹波的辐射效率, 那么对于初始光要有一定的限制, 具体的限制需要根据实验装置的参数来定。对比之前的放射状偏振, 放大后的太赫兹波几乎是严格线性偏振的, 其偏振方向并不依赖激光脉冲的偏振状态, 它最大的辐射强度沿着激光传播的方向。

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