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。     

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。     

气体等离子体产生太赫兹波的特性研究

基于光电流模型,对不同偏振情况的双色飞秒激光脉冲聚焦产生的气体等离子体中辐射出的太赫兹波特性进行了研究。根据光电流理论,气体分子被电离释放出的自由电子在非对称的激光场的作用下运动形成电子电流,产生在太赫兹波段的辐射。研究结果表明,太赫兹辐射的偏振特性与强度和入射双色激光的偏振特性紧密相关,仅当双色脉冲均为线偏振时,辐射出的太赫兹波才为线偏振,且强度受到双色脉冲偏振方向的夹角的影响;而对于实验中经过倍频晶体后变成椭圆偏振的基频光,太赫兹强度与倍频晶体的具体放置情况有很大关系,并且产生的太赫兹为椭圆偏振。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波空间强束缚效应

飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性,其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域,本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输,即“太赫兹波空间强束缚效应”,并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型,为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心,综述了本课题组近年来的一系列研究工作,包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等,并对未来的工作进行了展望。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

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.     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

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。     

基于光学技术的太赫兹相干辐射源研究

由于太赫兹辐射的独特性质和潜在的应用价值, 国内外关于太赫兹波的产生和探测的研究正呈现日益繁荣的景象, 目前太赫兹相干辐射源的研究已成为太赫兹技术领域最重要的前沿课题之一。介绍了产生太赫兹相干辐射的三种主要途径：一是光学技术, 它从高频向低频发展, 其代表为太赫兹激光器, 如气体激光器、半导体激光器和量子级联激光器等; 二是电子学技术, 它由低频向高频发展, 如微波管、固体微波源等; 三是光电子技术, 其频率由1 THz向两侧展宽, 采用超快激光脉冲触发产生太赫兹脉冲。设计了基于光学技术的太赫兹相干辐射系统, 该装置根据气体振转能级跃迁原理, 采用高压直流激励方式产生受激辐射, 波导管谐振腔体, 工作气体为N2, CD4和D2, 经过优化设计, 预计可以产生1.54 THz和1.58 THz的波连续输出。     

超快激光成丝现象研究综述

超快激光成丝是高功率超快激光在透明光学介质中传输时出现的一种独特非线性光学现象,所产生长度远超共焦范围的离子体通道被称为光丝;同时伴随超连续谱产生、荧光辐射和受激放大、脉冲自压缩等丰富的光学效应,在大气遥感、超快激光技术、人工干预天气、激光超精细加工等方面具有广泛应用前景。本文对成丝现象研究的历史发展进行了简单介绍,包括实验技术、基本物理机制和调控方法的主要研究进展,并对成丝在大气远程应用、物理化学机制、强THz波产生等方面的研究所面临的挑战进行了展望。     

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。     

通过圆偏振光提高飞秒激光诱导击穿光谱的发射强度

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种快速、实时的元素成分分析技术。为了提高LIBS的灵敏度,人们已经提出多种方法来提高LIBS的光谱强度。本文采用飞秒脉冲激光烧蚀黄铜产生LIBS,对比了圆偏振和线偏振下LIBS光谱的强度,结果发现圆偏振下的光谱强度比线偏振下的强,光谱强度大约提高了15%。采用飞秒激光照射金属时,金属内部的自由电子吸收光子的能量。在线偏振飞秒激光场中,电子在脉冲的每个光学周期中经历交替的加速和减速;而圆偏振飞秒激光可以连续加速电子,因此电子可以获得更高的能量,这使得圆偏振飞秒激光产生的光谱强度不同于线偏振飞秒激光产生的光谱强度,圆偏振激光有助于改善飞秒LIBS信号的强度。     

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。     

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。     

基于双温耦合模型的太赫兹晶体损伤阈值分析

飞秒激光通过非线性光学整流效应产生太赫兹(THz)波时,THz波转换效率会随着飞秒激光功 率的增大而明显提高。然而,飞秒激光功率过高会造成非线性晶体损伤,进而影响THz波的 产生及输出, 因而对飞秒激光作用下非线性晶体的损伤阈值进行研究具有重要意义。本文在经典的双温模 型基础上,引 入电子激发、载流子吸收等电离过程的影响,建立了飞秒激光作用下非线性THz晶体损伤 阈值的预估模 型。采用有限差分法,数值模拟了飞秒激光辐照下THz晶体的温度场变化,并据此对 晶体损伤阈值进行 预估。在此基础上,分析比较了LiNbO₃、ZnTe和ZnSe 3种THz晶体的损伤 阈值随激光脉宽的变化规 律。结果表明,晶体的禁带宽度和比热容越大 ,晶体的损伤 阈值就越大;LiNbO₃晶体因其具有更高的损伤阈值,在产生高功率THz波方面 具有更大的优势。     

偏振方向对ZnTe电光THz辐射探测的影响

在实验上研究了探测光的偏振方向对ZnTe晶体THz探测的影响 .在一周 36 0°范围内 ,测量出现两次零值 ,角度间隔为 180° ,在两个零值之间的 90°处出现不为零的小值 ,4 5°处不为最大值 .将ZnTe晶体在THz辐射电脉冲作用下产生的电光效应等效于瞬间任意波片 ,用琼斯矩阵法模拟实验过程 ,结果表明除在 90 0 处出现零值外其余模拟结果与实验结果相符 .用THz光子与横光学声子相互作用模型对此进行了定性解释 .     

CO2激光诱导液滴射流等离子体的实验研究

为了研究激光诱导射流等离子体特性,了解激光诱导液滴等离子体的发展过程,基于脉冲激光-液滴同步作用系统,采用阴影法,观测了激光作用液滴的阴影图像,取得了液滴在CO2脉冲激光作用下的演化过程数据。对图像进行处理获得了激光诱导液滴等离子体冲击波膨胀范围随时间的变化,并估算出了产生冲击波的激光能量。结果表明,空气冲击波的膨胀半径在当前观测时间范围内线性膨胀,约32%的激光能量用于产生冲击波。空气冲击波的变化规律对激光诱导液态燃料点火的研究提供了一定的参考依据。     

光电导天线太赫兹波辐射特性研究进展

太赫兹科学技术已经成为当前电磁领域研究的热点,太赫兹波的产生是其关键技术,光电导天线(PCA)是目前产生宽频太赫兹波的重要手段。根据光电导天线太赫兹波的辐射特性的文献报道,对光电导天线产生太赫兹波的耦合输出效率、辐射场型、极化特性等研究进展做了较全面的评述,并针对光电导天线辐射特性对光电导天线应用的意义进行了探讨和展望,以期对光电导天线产生太赫兹波的研究和应用提供参考。