强场超宽带太赫兹脉冲辐射源

前面介绍的太赫兹脉冲辐射源中,每种辐射源都有各自的优缺点。光电导开关方法产生太赫兹脉冲,有很高的转换效率和相对较高的能量;但光导开关装置复杂,而且得到的太赫兹脉冲光谱相对比较窄,这些缺点使其在应用时受到了极大限制。基于光学整流效应的太赫兹发生方法可以达到相对很宽的带宽,而且实验的准备工作相对简单。但这种方法效率很低,量子极限效率只有1%。当我们需要强度很高的太赫兹脉冲时,尤其是用飞秒激光放大器作为太赫兹的泵浦光源时,把飞秒激光聚焦到非线性晶体时会造成非线性晶体的损坏。

下面介绍一种利用空气中的四波混频效应得到太赫兹脉冲的方法,该方法实验装置简单,能得到宽带的强太赫兹脉冲[16]。基于飞秒激光空气等离子体诱导产生太赫兹脉冲的关键主要有两个方面：①利用基频光(800 nm)和倍频(400 nm)同时聚焦产生空气等离子体,进而辐射出高能量、宽带宽的太赫兹脉冲。这样可以满足高能量太赫兹光谱和成像的需要[17],从而为非线性太赫兹光谱提供了可靠的光源。②空气中飞秒激光成丝远程辐射太赫兹和基于等离子体的远程探测技术,可以实现太赫兹远程传感。

基于飞秒激光空气等离子体诱导产生太赫兹脉冲的基本原理可以解释为[18,19]：激光脉冲聚焦产生的有质动力(Ponderomotive force)造成原子中离子和电子在空间中的分离,这种空间的瞬时的分离会致使辐射瞬时电磁波,如图3-6所示。然而,太赫兹脉冲在空气中传播时,空气中水分子对太赫兹脉冲有很强的吸收,这样太赫兹远程传感就变得非常困难。为了解决这一问题,研究人员提出一种基于飞秒激光成丝的新的太赫兹辐射机制,实验原理如图3-7所示,飞秒激光脉冲在空气中传播形成等离子体细丝,通过这种方法可以非常容易地把太赫兹辐射源置于被测物体周围,为太赫兹远程传感提供了很好的辐射源。通过分析测量结果,这种辐射的物理机制被认为是[20]：和激光传播方向平行的偶极子(dipole)以光速随激光脉冲传播,在传播过程中辐射太赫兹波。太赫兹脉冲的时域特性由光丝等离子体中原子-电子碰撞时间(electron-atom collision time)和等离子波周期(plasma wave period)所决定。

图3-6　飞秒激光聚焦到气体中辐射太赫兹原理图(www.xing528.com)

图3-7　飞秒激光成丝辐射太赫兹的产生机制和探测方法

在解决了太赫兹脉冲远程产生的同时,太赫兹的远程探测技术也得到了很好的发展。和传统的电光取样或光电导取样技术相比,基于空气等离子体的太赫兹探测技术可以在远距离外探测太赫兹脉冲的时域电场,从而解决了太赫兹远程传感的技术难题。