[发明专利]三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统和方法

说明书

一种三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统，其包括激光器、分光镜、光参量放大器、第一BBO晶体、第一二向色镜、第一电动平移装置、第一反射镜、二分之一波片、第二反射镜、衰减片、第二BBO晶体、400nm滤波片、第三反射镜、第四反射镜、第二电动平移装置、第五反射镜、第二二向色镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及第一离轴抛物面反射镜。本发明利用确定波长、振幅、相位的多色激光场拟合得到尽量接近理想锯齿波形的电磁波形，相较于双色场激发空气等离子体产生太赫兹波的传统方式，具有更大的太赫兹能量转换效率，进而能够获得更高功率的太赫兹源。本发明产生的太赫兹波能量较强，光谱较宽，利于光谱测量，具有较强的科研及实际应用价值。

技术领域

本发明涉及太赫兹波和激光技术领域，具体而言，涉及一种三色场激光激发空气等离子体产生太赫兹波的系统和方法。

背景技术

将超短激光脉冲聚焦在空气中直接产生太赫兹波的技术已经在近年来得到广泛的关注以及获得了一批优秀的实验研究成果及理论研究成果。

在以往的研究中，800nm波长及长波长(1200nm-1600nm)的单色场激发空气等离子体产生太赫兹波；利用BBO晶体产生800nm波长及长波长的二次谐波并与其混合聚焦产生太赫兹波，以及非寻常比例的不同波长混合双色场(如波长比为2：3和1：4)聚焦激发空气等离子体产生太赫兹波等都取得了不错的研究进展，并且不断向高太赫兹产生效率方向发展。

三色场甚至多色场产生太赫兹是获得更大功率、更宽频谱太赫兹源的必经之路。激光聚焦空气产生太赫兹中，对于产生的太赫兹能量至关重要的是泵浦波形相对于场极值的明显不对称性，这决定了电子漂移速度。而具有锯齿状时域波形的叠加场会促进隧道诱导光电流触发产生最高太赫兹波信号，通过使用多频激光脉冲，可以获得优化自由电子轨迹的电场波形，使得电子获得最大的漂移速度。这可以使太赫兹的转换效率提高到2％，与标准的双色脉冲相比，原则上可以将太赫兹转换效率提高多达2个数量级。但是，目前还没有具体可实施的利用这一原理提高太赫兹波转换效率、进而获得更高功率的太赫兹源的方法。

发明内容

在激光激发空气等离子体产生太赫兹方式中，太赫兹产生效率的决定因素为泵浦光波形相对于场极值的明显不对称性，这决定了电子漂移速度，即如若电场为不对称场，电离而来的自由电子在电场内的总体运动效应为向一个定向的移动，则会产生太赫兹，而这个定向的净电流越大，则可以获得越大的太赫兹强度。文献【P.Gonzalez de AlaizaMartinez,I.Babushkin,L.Berge,S.Skupin,E.Cabrera-Granado,C.Kohler,U.Morgner,A.Husakou,and J.Herrmann,Phys.Rev.Lett.114,183901(2015)】公开了以下公式：

其中，U_THz：太赫兹能量，ω_CO：截止太赫兹频率，ω：太赫兹频率，在t＝t_n时刻与电离相关的净电流，δρ_n：光子电离率，v_f(t_n)：自由电子漂移速率，n：第n时刻。

由该公式可知，电子的漂移速度越大，在相同泵浦光功率的条件下，产生太赫兹的能量越高。在所有可获得激光场波形中，具有锯齿状时域波形的场有最大的不对称性，锯齿波形越接近理想，太赫兹转换效率越高。利用多色场激光拟合得到锯齿状时域波形泵浦光源，不同频率的激光场数量越多，所得到的拟合波形越接近理想锯齿波，所产生的太赫兹功率越大。

周期型锯齿波的傅里叶级数展开公式为

其中，A：锯齿波幅值，T₁：锯齿波周期，ω_1，2，3...：基频波，二次谐波，三次谐波…