圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的系统及方法

本发明涉及太赫兹波源和飞秒激光，具体而言，涉及一种圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的系统及方法。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波作为一种前沿技术，具有独特的物理性质，在很多领域具有巨大应用潜力，如生物医学成像、频谱分析、安全检测等，近年来备受关注。在光整流、光电导天线等光学方法产生太赫兹波的方法中，激光诱导空气产生等离子体具有无阈值、远距离、频谱宽等优势。

2、研究人员通常在双色场下用高斯光束激光诱导空气产生等离子体丝，这是由于等离子体的电子密度分布不均匀引起的，电离空气的过程中，脉冲电场的强度越高，等离子体的电子密度越高，进而产生太赫兹波辐射。然而，电离过程是非线性的，并会导致电子密度不均匀的三维分布，这种不均匀分布导致太赫兹波中心区域电子密度相对较低，因而使得太赫兹光束呈中空分布。中空分布太赫兹光束在穿越大气或非吸收介质时，由于存在自由传播模式和衍射效应等影响，其功率会随着传输距离的增加而逐渐减少，使得高斯激光产生的太赫兹波的转化效率降低，因此造成太赫兹波无法远距离传输，这对于长距离通信、遥控操作、大面积成像应用等方面有巨大影响。虽然通过改变气体介质、改变激光波长、多色长激发等方法可以提高产生效率，但无法改变太赫兹波束的中空分布。

3、艾里光束作为特殊光束，其具有在一定传播范围内无衍射的特点，这一接近平面波的传播特性与高斯光相比具有更大的潜力来改善太赫兹强度的角分布，并提高了太赫兹波的整体强度。liu等人公开了波长为800nm的突然自聚焦束诱导空气等离子体，在相同条件下，相比正常高斯束诱导等离子体，可以提供5.3倍增强的太赫兹波脉冲能量。后续研究人员对贝塞尔光束、方形艾里光束和涡旋光束等特殊光束进行了研究，实现了增强太赫兹波的效果，但是，本领域还没有任何关于对太赫兹波束分布影响的研究。

技术实现思路

1、由于圆艾里光束具有自聚焦、无衍射、自修复等特性，因此为了填补现有技术的空白，本发明的目的在于提供了一种圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的系统及方法，通过圆艾里光束诱导空气等离子体丝来调控太赫兹波分布。利用本发明对圆艾里光束的等离子体光丝、太赫兹强度和分布进行探测，使圆艾里光束的“空气法”太赫兹波源优势更加突出、更加实用，而且具有较强科研价值。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、分光镜、光参量放大器、1200nm～1600nm的二分之一波片、斩波器、衰减片、三倍扩束器、反射式空间光调制器、第一反射镜、第一聚焦透镜、bbo晶体、空气等离子体、第一离轴抛物面反射镜、硅片、长通太赫兹滤波器、第二离轴抛物面反射镜、第二反射镜、第三反射镜、电动平移装置、第四反射镜、第五反射镜、第二聚焦透镜、碲化锌晶体、第三聚焦透镜、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜及双眼光电二极管平衡探头，其中：

3、所述激光器发射波长为800nm且水平偏振的飞秒激光，所述飞秒激光入射到所述分光镜后被分为两束，一束为泵浦光路，另一束为探测光路；

4、所述泵浦光路的光束经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，所述1200nm～1600nm的二分之一波片将竖直偏振激光变为水平偏振激光，然后被所述斩波器斩波后利用所述衰减片调节激光功率，再经过所述三倍扩束器对光束扩束后，入射至加载了圆艾里光束相息图的所述反射式空间光调制器，经过相位调制后的光束由高斯型光束转变为圆艾里光束，其中，所述反射式空间光调制器的入射光束和反射光束之间的夹角小于20度；圆艾里光束由所述反射式空间光调制器小角度反射出并依次经过所述第一反射镜反射和所述第一聚焦透镜的聚焦后，再经过所述bbo晶体倍频产生二次谐波，二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体产生太赫兹波，并入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直，然后经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将光束中除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，并被所述第二离轴抛物面反射镜收集；

5、所述探测光路的光束经过所述第二反射镜和所述第三反射镜的反射进入所述电动平移装置，从所述电动平移装置反射出后经过所述第四反射镜、所述第五反射镜及所述第二聚焦透镜后，入射至所述第二离轴抛物面反射镜背面的小孔，并作为探测激光与所述泵浦光路的太赫兹波共同被所述第二离轴抛物面反射镜聚焦；

6、聚焦后的光束入射至所述碲化锌晶体后被所述第三聚焦透镜聚焦，然后经过所述四分之一波片将线偏振的光束变为圆偏振光，再入射到所述沃拉斯顿棱镜将其分为偏振方向互相垂直的两束光束，最后分别聚焦入射到所述双眼光电二极管平衡探头的两个探头中以探测其差分信号；

7、其中，所述系统还包括：

8、一ccd相机，设置于所述空气等离子体处，用于记录等离子体丝的荧光图像；以及

9、一太赫兹相机，设置于从所述空气等离子体到所述第一离轴抛物面反射镜的光路中，用于拍摄太赫兹的分布图像。

10、在本发明一实施例中，其中，所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，用于提供水平偏振且中心波长为800nm的高斯分布飞秒激光脉冲。

11、在本发明一实施例中，其中，所述光参量放大器输出的竖直偏振激光为波长在1200nm～1600nm可调的竖直偏振高斯飞秒激光脉冲。

12、在本发明一实施例中，其中，所述光参量放大器的输出波长被调节为1500nm。

13、在本发明一实施例中，其中，所述斩波器的频率为180hz。

14、在本发明一实施例中，其中，所述衰减片将经过其的激光功率调节到100mw。

15、在本发明一实施例中，其中，所述反射式空间光调制器的入射光与法线的夹角以及反射光与法线的夹角均小于10度，且所述反射式空间光调制器在其连接的pc端通过软件加载不同的圆艾里光束相息图以将入射的高斯型光束转变为圆艾里光束，其中，所述相息图为不同调制深度的相息图，以改变圆艾里光束不同的调制深度。

16、在本发明一实施例中，其中，所述碲化锌晶体、所述第三聚焦透镜、所述四分之一波片、所述沃拉斯顿棱镜及所述双眼光电二极管平衡探头共同组成太赫兹时域光谱探测装置，所述太赫兹时域光谱探测装置采用电光取样的方法进行光电探测。

17、为达到上述目的，本发明还提供了一种圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的方法，其通过上述系统实现，具体包括以下步骤：

18、s1：所述激光器发射高斯型的波长为800nm的激光，波长为800nm的激光被所述分光镜分成泵浦光路与探测光路两束；

19、s2：所述泵浦光路经过所述光参量放大器被放大成波长从1200nm到1600nm连续可调的竖直偏振激光，再经过所述1200nm～1600nm的二分之一波片将竖直偏振激光变为水平偏振激光，然后经过所述斩波器斩波后通过所述衰减片进行功率调节，再经过所述三倍扩束器对高斯型光束进行扩束，此时，将所述衰减片的功率调节设为100mw；

20、s3：扩束后的高斯光束入射至加载了圆艾里光束相息图的所述反射式空间光调制器，通过软件加载不同调制深度的相息图对高斯型光束进行相位调制后，高斯型光束转变为圆艾里光束，再将所述反射式空间光调制器反射出的多光束经过聚焦透镜聚焦，接着经过bbo晶体倍频后产生二次谐波，二次谐波与原波长的波共线聚焦激发所述空气等离子体并产生太赫兹波，此时通过调节bbo晶体的刻度与角度以获得最佳的太赫兹波输出；

21、s4：产生的太赫兹波入射至所述第一离轴抛物面反射镜后被准直，经过所述硅片和所述长通太赫兹滤波器将除太赫兹波以外的杂散光过滤掉，再由所述第二抛物面镜反射镜收集；

22、s5：所述探测光路经过所述第二反射镜和所述第三反射镜的反射进入所述电动平移装置，从所述电动平移装置反射出后经过所述第四反射镜、所述第五反射镜及所述第二聚焦透镜后，入射至所述第二离轴抛物面反射镜背面的小孔，并作为探测激光与所述泵浦光路的太赫兹波共同被所述第二离轴抛物面反射镜聚焦，此时，前后移动所述电动平移装置以调整泵浦光路和探测光路之间的相对时间延迟；

23、s6：聚焦后的光束入射至所述碲化锌晶体后被所述第三聚焦透镜聚焦，然后依次经过所述四分之一波片和所述沃拉斯顿棱镜得到偏振方向互相垂直的两束光束，通过所述双眼光电二极管平衡探头的两个探头探测其差分信号，得到太赫兹波强度信号，此时，使用所述ccd相机记录等离子体通道的荧光图像，使用所述太赫兹相机拍摄太赫兹的分布图像。

24、本发明提供的圆艾里光束诱导空气等离子体调控太赫兹波分布的系统及方法，与现有技术相比，能够通过改变不同调制深度的圆艾里光束的相息图，使圆艾里光束得到更长的空气等离子体丝并且能够获得方向性更好、分布更佳的太赫兹波辐射，可以填补太赫兹波辐射的中空状态，使太赫兹辐射呈现高斯型分布。并且圆艾里光束能提高太赫兹波的转化效率，通过调整可以提供比正常高斯光束诱导等离子体产生的太赫兹波能量增强10倍。此外，本发明也可以应用于不同的波长和不同功率条件下，具有较强的科研价值。通过本发明的系统产生的太赫兹波能量较强，对太赫兹辐射源具有较大应用价值；通过本发明的方法对等离子体丝调控太赫兹波分布有了进一步理解，具有重大的研究意义。