超快激光成丝产生太赫兹波的研究

研究了超快激光脉冲成丝辐射太赫兹(Terahertz, THz)波.考虑到THz 波在安全检查和国防建设等方面具有十分重要的意义, 文中总结了超快激光成丝产生太赫兹波的物理机制和控制技术, 并对各种相关理论和技术进行了分析.文章从理论模型、偏振特性和远场角分布情况等方面来介绍物理机制, 并探讨为满足应用需求的控制技术, 主要包括强度、偏振和波形控制.研究表明, 超快激光成丝辐射太赫兹波的产生方式、理论模型和控制形式均有多种, 其中理论模型主要包括四波混频模型和光电流模型, 强度控制技术主要包括双色场泵浦和在光丝通道两侧施加偏压.     

基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种使用相干探测的频谱分析手段。THz-TDS系统集太赫兹波发射器与探测器于一体,通过相干探测,可以同时获取太赫兹脉冲的电场强度和相位信息,广泛用于生物、材料、安检等领域。超快激光成丝产生太赫兹波是当前产生宽频谱、高强度太赫兹辐射的一个重要途径。文章详细介绍了超快激光成丝辐射太赫兹波的主流物理机制以及增强、调控太赫兹波的主要方法,阐述了基于激光成丝的THz-TDS系统的探测原理和探测手段。     

相对论飞秒激光与微结构靶相互作用增强太赫兹波产生的数值模拟研究

为了增强相对论飞秒激光与固体靶相互作用下太赫兹波的产生,提出了前端锥形开口的纳米丝靶结构,并通过胞中粒子法(Particle-In-Cell)数值模拟,研究了该结构对太赫兹波产生的影响,还与普通结构的纳米丝靶所产生的太赫兹波结果进行了对比。结果显示,前端锥形开口的纳米丝靶结构能够明显增强太赫兹波的产生,在探测点位置得到了比普通纳米丝靶中的太赫兹波电场强3倍的结果。最后详细分析了不同靶型结构影响太赫兹波产生的物理因素,发现不同靶型结构通过影响入射激光的吸收与反射,进而影响靶后超热电子的能量与数目。上述研究结果将有助于推动强场太赫兹波领域的发展,为实验研究提供方案和数据支撑。     

时域相干太赫兹源空间功率合成数值模拟研究

为了得到超宽带、大功率太赫兹波,提出了基于时域波形的超宽带太赫兹波空间功率合成的基本原理。利用标准数据进行了基于多路延迟和波形变换的空间功率合成数值模拟实验,得到了太赫兹波空间功率合成相关数据。结果表明,在超宽带太赫兹波空间功率合成物理实验中,飞秒激光辐射到各光导天线单元脉冲前沿可以存在一定的延迟;在光导天线优化设计和制备过程中,应特别注意减小太赫兹波上升沿的波形误差。     

圆偏振周期量级红外激光脉冲驱动产生太赫兹辐射

研究了周期量级的圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的偏振特性。将中心波长1.8 m、脉宽8.6 fs 的圆偏振红外激光脉冲聚焦到空气中,形成等离子体细丝,产生太赫兹辐射。通过测量太赫兹辐射的偏振状态,和偏振方向与驱动激光载波-包络相位的关系,发展太赫兹波偏振控制的方法。实验结果表明,太赫兹辐射为椭圆偏振,而且偏振平面随着驱动激光载波-包络相位的变化而转动。这对太赫兹波的偏振控制有重要意义,并为周期量级激光载波-包络相位的测量提供了新方法。     

超短强激光大气等离子体细丝中太赫兹辐射现象及其应用

超短强激光在大气中传输形成的等离子体细丝由于能够辐射出太赫兹信号而成为一种新的太赫兹辐射源,这对实现远距离太赫兹的远程传感具有重要的意义,在太赫兹辐射产生技术领域备受关注。详细综述了超短强激光大气等离子体细丝中产生太赫兹辐射现象的研究进展和现状,并着重对等离子体细丝产生太赫兹辐射的形成机理进行了概述和初步探讨,最后对其应用前景进行了展望,进而提出目前尚未解决的问题。     

光电导天线太赫兹辐射研究

利用超短激光脉冲触发光电导天线产生太赫兹波是目前研究比较深入,同时得到广泛采用的一种太赫兹波源.电流瞬冲模型能较好地解释光电导天线辐射太赫兹波的机理,并且与实验相吻合,因而被普遍接受.影响光电导天线的因素有材料性质、偏转电压、激光脉冲宽度和单脉冲能量等,其中激光脉冲宽度和激光脉冲能量对太赫兹辐射有很重要的影响.材料中的光生载流子寿命对辐射也有一定的影响.当改变这些参数时,辐射的太赫兹波有不同的特性变化.此外,逐步增大激光脉冲能量,会发现辐射的太赫兹波强度存在一个饱和特性.     

太赫兹辐射源的研究进展

太赫兹技术在物理、化学等基础研究学科,以及安全检查、空间通信等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景,而太赫兹辐射源正是太赫兹技术发展的关键部分.概述了基于激光光学技术、真空电子技术和超快激光技术产生太赫兹辐射的常用方法和主要特点,以及目前的研究状况,并对这各种太赫兹波辐射源的发展方向进行了展望.     

基于液体对太赫兹脉冲进行高灵敏探测

由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收,以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法,此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度,可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程,因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系,这使得此方法具有良好的稳定性,并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高,可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收,提高探测灵敏度,这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。     

低温生长砷化镓光电导天线产生太赫兹波的辐射特性

研究了低温生长砷化镓光电导天线(LT-GaAs PCA)产生太赫兹(THz)波的辐射特性。利用太赫兹时域光谱(TDS)技术测量了光电导发射极在飞秒激光作用下辐射的太赫兹脉冲,得到了时域发射光谱,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到相应的频域光谱。结果表明,低温砷化镓光电导天线产生的太赫兹波信号比飞秒激光激发半导体表面产生的太赫兹波信号具有更高的强度和信噪比;太赫兹波信号与光电导天线的偏置电压成线性关系;随着抽运激光功率的增强,太赫兹波信号增大并出现饱和。     

基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹到中红外超宽带辐射产生

超强少周期激光脉冲与气体等离子体作用可以产生强的宽带太赫兹脉冲辐射。本文以数值计算为主要工具研究了少周期激光脉冲与气体等离子体成丝作用产生的等离子体电流及对应的太赫兹辐射特性。该过程中的等离子体电离处于多光子电离和隧道电离的过渡阶段。结果显示,该机制能够产生从太赫兹到中红外的超宽带辐射,且辐射的电场振幅是少周期激光脉冲载波相位的周期函数。太赫兹脉冲由激光脉冲脉宽和等离子体电离的时间演化确定,而不是由等离子体密度决定。本文为基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用产生超宽带太赫兹辐射的实验提供了一定的理论参考。     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

基于超短激光脉冲泵浦砷化铝镓多层异质结构的宽带太赫兹辐射产生研究

半导体异质结构具有良好的束缚载流子的能力与产生大功率太赫兹辐射的潜力。但由于异质结构中等离子体非相干振荡的干扰效应造成了太赫兹辐射强度的大幅度降低，因此能够在基于砷化铝镓（）多层异质结构并通过调节其中铝的摩尔分数来调节窄带隙层的吸收系数，从而使得异质结构每一个窄带隙层的激发载流子数目大致相同，达到几乎完全消除干扰效应的目标。基于砷化铝镓多层异质结构的太赫兹辐射产生模型，结合数值计算研究了宽带太赫兹辐射的输出特性，获得泵浦激光脉冲宽度与产生的太赫兹脉冲之间的定量关系，并分析了泵浦激光脉冲参数对产生的太赫兹脉冲各项参数的影响。本项研究为开展半导体材料与器件相关的宽带太赫兹辐射源提供了一定的理论参考。     

InSb光电导太赫兹源材料性质及辐射场研究

为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。     

基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源

回顾了基于倾斜波前技术并利用飞秒激光抽运铌酸锂晶体产生高能强场太赫兹辐射脉冲源的研究背景和发展历程,系统地介绍了倾斜波前装置中各组成部分对太赫兹辐射脉冲的能量转化效率以及发射特性的影响,提出了利用这种技术产生mJ量级的超强太赫兹源的可能途径,展示了强太赫兹源的潜在应用价值。     

基于频率梳的太赫兹辐射功率密度测量

为实现太赫兹辐射特性精准认知,开展太赫兹辐射功率密度测量研究.通过光学频率梳产生太赫兹频率梳,利用太赫兹频率梳实现太赫兹辐射源空间辐射功率密度测量.本文利用电光采样和光电导探测两种方式,实现了100 GHz辐射源空间辐射功率密度测量;将100 GHz辐射总功率溯源到标准太赫兹功率计,实现太赫兹辐射功率密度绝对测量.分析比较了利用800 nm空间光进行电光采样和利用1 550 nm光纤激光进行光电导探测的测量结果.在不同距离下,对太赫兹辐射源的空间辐射功率密度进行了测量和量值溯源,实验揭示了太赫兹辐射传输的空间演化特性.     

基于DL模型与时域耦合波理论的PCA THz调制机理研究

太赫兹电导天线是太赫兹源或探测器的最常用器件之一。针对太赫兹波与金属微结构之间的相互作用效应以及远场辐射调制机理问题,本文提出了基于DL模型与时域耦合波理论的光电导天线太赫兹波调制机理研究。在工形光电导天线上引入金属微结构,采用DL模型理论求解瞬态电流以及时变电磁场,并经由格林函数处理后实现PCA THz的远场辐射;同时建立了瞬态电流和局域电磁模式之间的耦合模型,利用时域耦合波理分析了微结构光导天线THz波辐射的机理。研究结果表明:本文引入的微结构改变了等效模型的辐射阻抗,局域电磁模式能够存储能量6 ps后通过调整结构间的耦合系数以散射损耗形式释放出来;且存在耦合作用时,组合微结构对应共振频率处的辐射得到极大增强,该结论为后续光导天线结构设计和太赫兹波辐射调制奠定重要基础。     

飞秒等离子体间非线性作用对超高频电磁波影响的研究

主要研究了飞秒等离子间相互的非线性作用对超高频电磁波——太赫兹波产生的影响。国内外许多研究机构已经证实,在太赫兹波产生的过程中,等离子体间的相互非线性作用会对太赫兹波产生影响。笔者结合理论分析设计并搭建一种了双束等离子体重合产生太赫兹波的测试系统,研究发现等离子体间相互非线性作用时,会产生三阶非线性光学效应,等离子体的折射率和相位发生变化形成非均匀场导致了太赫兹波辐射能量的降低,并在实验测量研究中发现随着等离子体波长双束等离子波长的增加,等离子体密度增加,导致太赫兹波的辐射能量的降低现象更加明显,另外,等离子体功率越大,太赫兹波吸收越大。同时,研究发现等离子体周围惰性气体分子质量影响太赫兹降低程度,气体分子质量决定着飞秒激光聚焦空气电离出的等离子体所形成的电场强度,分子质量越高,所形成的电场强度越强,双束等离子体重合时对太赫兹波降低的辐值越大。这些为研究等离子体间非线性作用对太赫兹波的影响提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

基于频率梳的太赫兹辐射强度测量

为实现太赫兹辐射特性精准认知,开展太赫兹辐射绝对强度测量研究。通过光学频率梳产生太赫兹频率梳,利用太赫兹频率梳实现太赫兹辐射源空间强度测量。本文利用电光采样和光电导探测两种方式,实现了100 GHz辐射源空间辐射强度测量;将100 GHz辐射总功率溯源到标准太赫兹功率计,实现太赫兹辐射强度绝对测量。分析比较了利用800 nm空间光进行电光采样和利用1550 nm光纤激光进行光电导探测的测量结果。本文在不同距离下,对太赫兹辐射源的空间辐射绝对强度进行了测量,实验揭示了太赫兹辐射传输的空间演化特性。     

基于LiNbO3光整流效应的高峰值功率太赫兹源

基于光整流效应,通过倾斜泵浦光波前(TPFP)在铌酸锂晶体中实现相位匹配,是一种有效的产生太赫兹辐射的方法。建立了一种更完备的基于波面倾斜的产生太赫兹波的理论模型,用于分析不同泵浦光偏振下产生太赫兹波的转换效率。搭建了基于铌酸锂晶体光整流效应的高峰值功率太赫兹源和太赫兹时域光谱系统,并利用太赫兹面阵探测器对获得的太赫兹辐射进行了分析。结果表明,所获得的太赫兹辐射单脉冲峰值功率达到0.56 MW,频谱宽度为0.1 THz~2 THz,转换效率为0.56‰,与理论模拟结果相符。