提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的系统和方法

本发明涉及太赫兹诱导声增强，具体而言，涉及一种提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的系统和方法。

背景技术：

1、等离子体在光电离、激光诱导击穿光谱、火花诱导击穿光谱学以及宽带太赫兹(thz)脉冲的产生和检测等领域的应用一直备受关注。在激光击穿空气形成等离子体的过程中，被电离出的电子以及离子会在纳秒量级的时间尺度下复合而释放光子。等离子体内的自由电子温度会提高到6x104 k左右，同时，自由电子会通过碰撞将温度传递给周围的空气分子，空气通过热膨胀作用产生冲击波，在传播很短一段距离后衰减成声波。通过对等离子体声波进行探测，可以得到等离子体的长度和内部电子密度等参数。

2、近些年，随着太赫兹技术的快速发展，太赫兹波对等离子体产生的声波和荧光的增强作用已经被实验观察证实。基于此，太赫兹声波增强探测法和太赫兹荧光增强探测法被提出，两者均是测量空气等离子体的声波或荧光发射强度，通过太赫兹波电场对声波或荧光发射强度的增强计算推导出太赫兹波电场的相关信息。相对于荧光探测法，声波探测法的优势在于可以通过锁相放大器选择更高频率的声音信号进行探测，降低环境噪声对声音信号的影响，达到更高的响应灵敏度和信噪比。而背景光对荧光探测的影响极大，这是由光电倍增管的灵敏度所决定的。荧光探测需要高能量的探测激光来达到等离子体的荧光激发阈值，这和光子转换效率有关，这使得在相同实验条件下，声波探测比荧光探测有更高的响应灵敏度和更小的实验误差。

3、由于空气中的水分子对太赫兹波有很强的吸收，因此传统的太赫兹电光采样探测法很难实现远距离的探测。而声波探测法能很好的克服这一困难，而且由于声波波长较长，能绕过障碍物传播，因此能够在极大范围内实现远距离探测太赫兹波。而由于声音信号与等离子体的电子密度相关，因此利用太赫兹增强声波的原理可以在不破坏等离子体完整性的情况下对电子密度和电子复合率等参数进行表征，这是电光采样探测法所不具备的。

4、然而，太赫兹声波增强的效率一直被人诟病，实验观察到的增强效率仅为10％左右，而且太赫兹增强声压幅度较小，为了实现更高灵敏度的太赫兹波探测，如何在相同探测光条件下，提升太赫兹声波增强灵敏度和效率是目前待解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术和待解决的技术问题，本发明的目的在于提供一种提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的系统和方法，通过增强太赫兹波的电场强度，能够有效地提升太赫兹声波增强灵敏度；通过将探测激光的偏振态从线偏振改为圆偏振，可以提升太赫兹声波增强效率，从而实现更高灵敏度的太赫兹波探测。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、分光棱镜、光参量放大器、dast有机晶体、太赫兹滤波片、第一太赫兹偏振片、第二太赫兹偏振片、打孔离轴抛物面镜、第一反射镜、光衰减片、第二反射镜、四分之一波片、凸透镜、麦克风和锁相放大器，其中：

3、所述激光器发射波长为800nm的激光，所述波长为800nm的激光经过所述分光棱镜分成一束泵浦光和一束探测光；

4、所述泵浦光入射至所述光参量放大器后输出波长为1550nm的激光，所述波长为1550nm的激光入射至所述dast有机晶体产生太赫兹波，太赫兹波经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光之后再依次经过所述第一太赫兹偏振片和所述第二太赫兹偏振片，经由所述打孔离轴抛物面镜反射后聚焦；

5、所述探测光依次经过所述第一反射镜、所述光衰减片、所述第二反射镜、所述四分之一波片与所述凸透镜后，从所述打孔离轴抛物面镜背面小孔入射并与太赫兹波共同聚焦形成等离子体，其中，所述四分之一波片用于将激光偏振态从线偏振改为圆偏振；

6、从所述等离子体中产生的声音信号通过所述麦克风探测收集后，再通过所述锁相放大器进行信号放大。

7、在本发明一实施例中，其中，所述激光器为飞秒激光放大器。

8、在本发明一实施例中，其中，所述第一太赫兹偏振片为能够旋转的偏振片，其用于改变太赫兹波的偏振状态，所述第二太赫兹偏振片为不能旋转的偏振片，其仅用于使太赫兹波在竖直方向上的分量通过，通过旋转所述第一太赫兹偏振片来改变太赫兹波与竖直方向的夹角，进而改变太赫兹波的电场强度。

9、在本发明一实施例中，其中，由所述dast有机晶体产生的太赫兹波的电场强度能够通过所述第一太赫兹偏振片和所述第二太赫兹偏振片进行调控，其电场强度能够调整的范围为2.75～11mv/cm。

10、在本发明一实施例中，其中，所述光衰减片能够调控所述探测光的能量，其中所述探测光的能量强度能够调整的范围为100～500μj。

11、在本发明一实施例中，其中，所述麦克风的频率响应范围为20hz～20khz。

12、在本发明一实施例中，其中，所述麦克风与所述等离子体的距离为3mm。

13、在本发明一实施例中，其中，所述锁相放大器使用激光重复频率的第20次谐波作为参考信号测量20khz的声信号。

14、本发明还提供了一种提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的方法，其通过上述系统实现，具体包括以下步骤：

15、步骤s1：将激光器设置为发射波长为800nm的激光；

16、步骤s2：调整分光棱镜，使波长为800nm的激光经过分光棱镜分出一束泵浦光和一束探测光；

17、步骤s3：所述泵浦光入射至光参量放大器后输出波长为1550nm的激光，所述波长为1550nm的激光入射至dast有机晶体产生太赫兹波，太赫兹波经过太赫兹滤波片滤除杂散光之后再依次经过第一太赫兹偏振片、第二太赫兹偏振片后，经由打孔离轴抛物面镜反射后聚焦；

18、所述探测光依次经过第一反射镜、光衰减片、第二反射镜、四分之一波片与凸透镜后，从打孔离轴抛物面镜背面小孔入射与太赫兹波共同聚焦到空气中；

19、步骤s4：当探测光聚焦到空气后，空气在很短时间内被探测光电离激发形成等离子体，等离子体向外辐射冲击波并快速衰变成等离子体声波；太赫兹波聚焦到等离子体上后，能够增强等离子体声波的强度；

20、步骤s5：使用麦克风探测并收集等离子体的声音信号后，再通过锁相放大器将等离子体的声音信号放大，其中：

21、在太赫兹波未聚焦到等离子体上时，麦克风探测并收集等离子体的声音信号后，通过锁相放大器将等离子体的声音信号放大，得到本地声压强度；

22、步骤s6：在太赫兹波聚焦到等离子体上后，旋转第一太赫兹偏振片以改变太赫兹波的电场强度，同时测量在不同太赫兹波的电场强度下由锁相放大器放大的太赫兹增强声压强度，并通过计算增强声压强度减去本地声压强度得到太赫兹增强声压差值；

23、步骤s7：通过调整四分之一波片改变探测激光的偏振态，通过光衰减片调控探测激光的能量，并且分别在线偏振和圆偏振两种偏振态下，测量不同探测激光的能量下太赫兹声波增强的效率，其中，所述效率为太赫兹增强声压差值与本地声压强度的比值。

24、本发明提供的提高太赫兹波增强声波信号的灵敏度和效率的系统和方法，与现有技术相比，创新性地利用太赫兹声波增强原理，通过增强太赫兹波的电场强度，能够有效的提升太赫兹声波增强的灵敏度，而太赫兹增强声压差值与太赫兹波的电场强度的平方成正比。本发明还创新性地通过四分之一波片改变探测激光的偏振态，将激光从线偏振改为圆偏振，而圆偏振态的探测激光形成的等离子体的太赫兹声波增强效率高于线偏振态。相较于之前实验所提供的10％的太赫兹声波增强效率，本发明所能提供的效率最高能达到160％，更高的太赫兹声波增强灵敏度和效率使得在利用等离子体声波探测太赫兹波时拥有更高的探测灵敏度。此外，本发明系统构成简单、声音信号探测装置成本低、系统稳定性高，使用周期长且易于维护，有助于了解空气等离子体声发射的机理，为研究动态等离子体与电磁辐射之间的相互作用打下了良好的基础，具有很大的科研和应用价值。