空心激光等離子體產生可協調太赫茲輻射的裝置及方法與流程
本發明屬于太赫茲波技術領域，具體涉及空心激光等離子體產生可協調太赫茲輻射的裝置及方法。
背景技術：
在太赫茲波技術及應用中，太赫茲輻射源研究是太赫茲技術發展的重要環節，高效率、高功率、超寬頻譜和小型化的太赫茲波源是其研究的幾個重要方向。太赫茲輻射源主要通過光學技術、半導體、電子學技術等方向來實現，包括以下幾類：
(1)基于光學技術的太赫茲波源：一類是在光導開關或者半導體中產生超快光電流，其機制是基于超短脈沖激光照射半導體材料產生的光載流子在偏置電壓的作用下加速運動而輻射出太赫茲波段的電磁波。目前常用的光電導天線材料主要為低溫生長的砷化鎵(GaAs)、半絕緣的砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等，禁帶寬度、載流子的瞬態遷移率和壽命等參數直接影響了輻射的太赫茲波。另一類是由非線性器件產生太赫茲波，例如光整流(optical rectification)、差頻(difference-frequency generation,DFG)、光參量振蕩(optical parametric oscillation)等技術，所用到的非線性晶體主要有碲化鋅(ZnTe)、鉭酸鈮(LiTaO3)和鈮酸鋰(LiNbO3)等。這些晶體聲子吸收限制了產生的太赫茲波脈沖譜寬只能到3THz。
(2)半導體太赫茲源：目前主要有碰撞雪崩及渡越時間二極管(IMPATT)、耿氏振蕩器(Gunn)、共振遂穿二極管(RTD)和量子級聯激光器(QCL)等。前三者屬于固體器件，其中IMPATT和Gunn的輸出頻率一般在0.3THz以下，輸出為百mW到mW量級的連續太赫茲波，RTD目前的輸出頻率已達到1.42THz，輸出功率為mW到μW量級，成為最有前景的半導體太赫茲源；后者是近期太赫茲源研究的一個熱點，具有結構小巧、價格低廉和頻率可調等特點，但是輸出頻率較高(一般高于2THz)，且效率和輸出功率較低，需要低溫環境操作。
(3)基于電子學技術的太赫茲波源：各種太赫茲真空電子器件輻射源是這一方法的主體，主要包括自由電子激光、返波管、回旋管、行波管、互作用器件及其它變型器件等。返波管是一種經典的慢波器件，非相對論連續波返波管在1.0THz頻率以下的輻射波功率為1-100mW，目前最高的輻射頻率為1.4THz，輻射功率為幾十μW，最高輸出功率的相對論太赫茲返波管由俄羅斯科學院研制，僅為0.33THz，脈沖功率為0.5MW，但裝置需要引導磁場、水冷卻系統和高偏置電壓外設等，重量大，功耗高；回旋管是一種快波器件，可工作在過模狀態，諧振腔的物理尺寸可遠超過工作波長，太赫茲回旋管可產生頻率為0.1-1.0THz，峰值功率為千瓦量級，平均功率為瓦量級的太赫茲波，但輸出頻率越高，器件所需的磁場越強，導致頻率提高困難，且系統結構龐大、造價昂貴；自由電子激光輸出頻譜范圍最寬(從毫米波到X射線，覆蓋了整個太赫茲波段)且可通過調節輸入電子束的能量實現輸出波長連續可調、輸出功率高(峰值功率可達吉瓦量級)、相干性強、波束質量好、光脈沖時間結構精細且可調，是最重要的太赫茲波源之一，但目前已有的自由電子激光裝置都較大，例如俄羅斯NovoFEL裝置采用射頻直線加速器產生單個電子能量為12MeV的電子束，其峰值電流為10A，平均電流為20mA，能散為2％，發射度為2mm mrad，通過周期為120mm，總長度為4m的平面型波蕩器，最終產生波長為120-230μm(頻率為1.3THz-2.5THz)的輻射波，峰值功率達1MW，脈沖重復頻率為11.2MHz，THz平均功率達400W。出于實用中對太赫茲自由電子激光源可移動性的需要，將其小型化是促進太赫茲技術從實驗室走向廣泛應用的基礎。
(4)基于超短激光與大氣等離子體相互作用：利用單色強超短激光束激光可產生太赫茲；有學者認為太赫茲是等離子體尾場和有質動力共同作用下產生的，也有學者認為是瞬態切倫科夫輻射產生的。在大氣中將超快激光的基頻和二次諧波相混合，在等離子體輔助下形成一個對稱破缺場，可產生能量大于5uJ的THz脈沖。迄今為止，雙色激光與空氣作用產太赫茲波輻射依然有多種理論，例如非線性四波混頻理論、微觀離化電流模型和全量子理論模型。而在單色激光離化空氣形成等離子體后，在等離子體加入偏置電場，可以使得太赫茲波輻射增強。
然而，之前文獻中報道的激光與大氣等離子體作用為實心激光束產生實心等離子體，靠等離子體振蕩輻射THz波，而實心等離子體約束和轉換電磁能的能力較弱，限制了產生太赫茲波THz的功率，實心等離子體的半徑密度均勻不可調節，使產生的太赫茲輻射頻率不可調，現有的裝置造價較高，不能滿足實際試驗的需求。
技術實現要素：
為了解決現有技術中的問題，本發明提出一種空心激光等離子體產生可協調太赫茲輻射的裝置及方法，利用空心激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，空心等離子體約束和轉換電磁能的能力強，將約束儲存在空心等離子體中的電磁能量轉換成太赫茲波，通過調節空心激光的半徑調節空心等離子體的半徑和密度不同，實現對太赫茲波頻率的調節。
為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案為：
空心激光等離子體產生可協調太赫茲輻射的裝置，包括空心激光發生器和太赫茲輻射產生裝置，太赫茲輻射產生裝置包括基體，基體內儲能腔，儲能腔兩端的基體上開設有貫穿基體的激光通道，儲能腔與激光通道連通并構成密閉腔體，所述空心激光發生器產生的空心飛秒激光束能夠從左激光通道射入，經過儲能腔后從右激光通道射出，所述儲能腔內設置有沿空心飛秒激光束軸線方向對稱的電極，電極連接有直流電源或脈沖驅動源，所述基體上設置有密封三通，密封三通與儲能腔連通。
所述空心激光發生器包括依次連接的凸透鏡和聚焦圓錐棱鏡。
所述凸透鏡和聚焦圓錐棱鏡之間設置有發散圓錐棱鏡。
所述發散圓錐棱鏡和聚焦圓錐棱鏡的頂角和折射率均相同。
所述左激光通道的入端和右激光通道的出端均設置有密閉的石英窗口。
所述激光通道為圓柱形通道，儲能腔為球形空腔。
空心激光等離子體產生可協調太赫茲輻射的方法，包括以下步驟：
1)將密封三通與真空泵連接對儲能腔和激光通道抽真空，抽真空后通過密封三通注入惰性氣體并密封；
2)對電極施加電壓，在儲能腔中存儲電磁能量；
3)實心飛秒激光束通過空心激光發生器轉換為空心飛秒激光束；
4)空心飛秒激光束從激光通道射入，在儲能腔中空心飛秒激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，并將存儲的電磁能量轉換成太赫茲輻射；通過空心激光發生器調節空心飛秒激光束的半徑，調節太赫茲輻射頻率。
所述步驟1)中抽真空后保證真空度低于1pa，所述惰性氣體為氙氣，氙氣的氣壓保持在1～3個大氣壓。
所述步驟2)中電極施加的電壓為2000V～20000V，所述步驟3)中空心飛秒激光束的功率密度大于1014～1015W/cm2。
所述步驟3)中空心激光發生器包括依次連接的凸透鏡、發散圓錐棱鏡和聚焦圓錐棱鏡，通過調節凸透鏡距發散圓錐棱鏡和聚焦圓錐棱鏡的距離，實現調節空心飛秒激光束的半徑。
與現有技術相比，本發明裝置采用空心激光發生器產生空心飛秒激光束，利用儲能腔與激光通道連通構成密閉腔體，儲能腔作為反應腔，儲能腔內設置電極，電極沿空心飛秒激光束軸線方向對稱，電極連接直流電源或脈沖驅動源，工作時利用直流電源或脈沖驅動源向電極施加電壓，在儲能腔中存儲電磁能，利用密封三通作為抽真空、充惰性氣體的通道，空心飛秒激光束從激光通道射入，在儲能腔中空心飛秒激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，并將存儲的電磁能量轉換成太赫茲輻射；通過空心激光發生器調節空心飛秒激光束的半徑，調節太赫茲輻射頻率。本發明裝置利用空心激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，空心等離子體約束和轉換電磁能的能力強，將約束儲存在空心等離子體中的電磁能量轉換成太赫茲波，通過調節空心激光的半徑調節空心等離子體的半徑和密度不同，實現了對太赫茲波頻率的調節。
進一步，空心激光發生器包括依次連接的凸透鏡和聚焦圓錐棱鏡，通過控制凸透鏡與圓錐棱鏡的不同距離，調節空心飛秒激光束內徑的變化，只改變了等離子體環的厚度和密度，而不改變等離子體內半徑，因此實現了控制了太赫茲波THz的頻率問題。進一步，利用頂角和折射率均與聚焦圓錐棱鏡相同的發散圓錐棱鏡，能夠得到內經穩定的空心飛秒激光束，提高了本發明的可靠性。
進一步，在空心飛秒激光束入射和出射側設置石英窗口，石英窗口密封設置，利用石英窗口的通透性，實現氣體密封并且不遮擋通路。
本發明的方法對儲能腔和激光通道抽真空后注入惰性氣體并密封，通過在電極上施加電壓在儲能腔中存儲電磁能量，通過空心激光發生器將實心飛秒激光束轉換成空心飛秒激光束，空心飛秒激光束從激光通道射入，在儲能腔中空心飛秒激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，并將存儲的電磁能量轉換成太赫茲輻射；通過空心激光發生器調節空心飛秒激光束的半徑，調節太赫茲輻射頻率，本發明利用空心激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，空心等離子體約束和轉換電磁能的能力強，將約束儲存在空心等離子體中的電磁能量轉換成太赫茲波，通過調節空心激光的半徑調節空心等離子體的半徑和密度不同，實現了對太赫茲波頻率的調節。
進一步，本發明方法中通過調節凸透鏡距發散圓錐棱鏡和聚焦圓錐棱鏡的距離，實現調節空心飛秒激光束的半徑，從而實現了對太赫茲波頻率的調節，操作簡單可靠。
附圖說明
圖1為本發明的太赫茲輻射產生裝置的剖視圖，其中1-空心飛秒激光束、2-右石英窗口、3-左石英窗口、4-電極、5-激光通道、6-密封三通、7-儲能腔、8-基體；
圖2為本發明的空心激光發生器的結構示意圖，其中9-凸透鏡、10-發散圓錐棱鏡、11-聚焦圓錐棱鏡；
圖3為均勻等離子體和非均勻等離子體下電場隨時間和頻譜變化圖，其中a曲線為非均勻等離子體曲線，b曲線為均勻等離子體曲線，c為空心等離子體中的相對等離子體曲線；
圖4a為不同等離子體密度下空心等離子體中的頻譜，其中d曲線表示n0＝5x1015cm-3的曲線，e曲線表示n0＝5x1016cm-3的曲線，f曲線表示密度增加曲線，g曲線為非均勻等離子體曲線；圖4b為輸出功率和能量比隨時間的曲線，其中h曲線為輸出功率曲線，i曲線為能量比曲線，j曲線為密度提高后的輸出功率曲線；
圖5輸出端的空心等離子體內瞬態空間電場分布圖；
圖6a為長度為0.8mm的輸出端空心等離子體的頻譜圖，其中k曲線為輸入端曲線，l曲線為輸出端曲線，m曲線為非均勻等離子體曲線；圖6b為電場和輸出功率隨時間的曲線，其中n曲線為電場分布曲線，o曲線為輸出功率曲線；
圖7為同空心等離子體內半徑與產生太赫茲頻率的關系曲線，*基波，o二次諧波。
具體實施方式
下面結合具體的實施例和說明書附圖對本發明作進一步的解釋說明。
參見圖1，本發明裝置包括空心激光發生器和太赫茲輻射產生裝置，太赫茲輻射產生裝置包括基體8，基體8內儲能腔7，儲能腔7兩端的基體8上開設有貫穿基體8的激光通道5，儲能腔7與激光通道5連通并構成密閉腔體，激光通道5為圓柱形通道，儲能腔7為球形空腔。空心激光發生器產生的空心飛秒激光束1能夠從左激光通道射入，經過儲能腔7后從右激光通道射出，左激光通道的入端密閉設置有的左石英窗口3，右激光通道的出端密閉設置有的右石英窗口2，儲能腔7內設置有沿空心飛秒激光束1軸線方向對稱的電極4，電極4連接有直流電源或脈沖驅動源，基體8上設置有密封三通6，密封三通6與儲能腔7連通。
參見圖2，空心激光發生器包括依次連接的凸透鏡9、發散圓錐棱鏡10和聚焦圓錐棱鏡11，發散圓錐棱鏡10和聚焦圓錐棱鏡11的頂角和折射率均相同。
本發明方法包括以下步驟：
1)將密封三通6與真空泵連接對儲能腔7和激光通道5抽真空，保證真空度低于1pa，抽真空后通過密封三通6注入惰性氣體并密封，惰性氣體為氙氣，氙氣的氣壓保持在1～3個大氣壓；
2)對電極4施加2000V～20000V電壓，在儲能腔7中存儲電磁能量；
3)實心飛秒激光束通過空心激光發生器轉換為空心飛秒激光束，空心飛秒激光束的功率密度大于1014～1015W/cm2；
4)空心飛秒激光束從激光通道5射入，在儲能腔7中空心飛秒激光與惰性氣體隧道電離形成空心等離子體，并將存儲的電磁能量轉換成太赫茲輻射；空心激光發生器包括依次連接的凸透鏡9、發散圓錐棱鏡10和聚焦圓錐棱鏡11，通過調節凸透鏡9距發散圓錐棱鏡10和聚焦圓錐棱鏡11的距離，調節空心飛秒激光束的半徑，實現調節太赫茲輻射頻率。
針對本發明開展三維Particle-in-cell代碼模擬，微波腔中央預先約束RF電磁能，瞬間加載高密度等離子體環，后產生THz的原理和方法，基于實際的激光技術，空心激光產生的等離子體密度是徑向是非均勻的：環中央有更高密度，邊緣有更低密度。為簡化過程，模擬了三種不同密度的等離子體：初始中央密度n0＝1x1016cm-3和徑向范圍從0.1到0.3mm，內外密度n0/5，徑向范圍分別是從0.05到0.1mm，和從0.3到0.4mm。
均勻密度的等離子體初始密度n0＝5x1015cm-3和范圍從0.1到0.3mm。此外，研究了RF電場帶來的碰撞電離對密度增加的影響，初始密度為n0＝5x1013cm-3。參見圖3，a曲線為非均勻等離子體曲線，b曲線為均勻等離子體曲線，c為空心等離子體中的相對等離子體曲線，均勻等離子體和非均勻等離子體下電場隨時間和頻譜變化規律相似，參見圖3和圖4a，d曲線表示n0＝5x1015cm-3的曲線，e曲線表示n0＝5x1016cm-3的曲線，f曲線表示密度增加曲線，g曲線為非均勻等離子體曲線，密度包絡周要影響有效半徑，其位于空心等離子體的內外半徑之間。對于等離子體密度n0＝5x1016cm-3，觀察到的二次諧波如圖4a中e曲線。參見圖3和圖4b，電子密度在8ps時間內提高了3個量級，并且電場和輸出功率在電子密度提高過程中要比電子密度震蕩更快。因此，空心等離子體在皮秒時間內形成并能實現THz產生。圖4a和4b中，d曲線表示n0＝5x1015cm-3的曲線，e曲線表示n0＝5x1016cm-3的曲線，f曲線表示密度增加曲線，g曲線為非均勻等離子體曲線，h曲線為輸出功率曲線，i曲線為能量比曲線，即空心等離子體內被約束的能量和總能量之比，j曲線為密度提高后的輸出功率曲線，輸出功率為8kW。
因為激光接近光速傳播，激光需要3ps的時間以通過一個1mm長的腔體。在該過程中，產生的空心等離子體仍然式開放狀態而非閉合。末端開路即輸出端的等離子體管的瞬態電場如圖5所示，不同管長的THz頻譜與閉合空心等離子體如圖6a所示，其中k曲線代表閉合管和長0.8mm末端開路管的重疊譜線。
因為激光可以較早到達輸入端，而輸出功率在出口處更早。對于末端開放的等離子體管，輸出端的THz場與RF場疊加，如圖6a中l曲線所示，而對應譜線中包括兩個峰，一個以THz為主、一個以X波段為主。當末端開放的管長變短，在輸出端的延遲時間增加而輸出功率的幅度減小。在管端與空間的不連續性導致反射，使得前向功率減小。事實上，THz波和激光接近光速傳播，因此，THz波在等離子體向前延展過程中基本上都在空心等離子體內被約束，并且反射會小些。參見圖6a，左側輸入端k曲線和右輸出端藍色曲線i，表示均勻等離子體n0＝5x1015cm-3，rb半徑從0.1到0.3mm；m曲線表示非均勻等離子體包絡，圖6b為電場和輸出功率隨時間的曲線，n曲線為電場分布曲線，o曲線為輸出功率曲線。
產生太赫茲的頻率決定于空心等離子體的半徑，空心等離子體的半徑決定于入射空心激光的半徑，通過調節空心激光的半徑可實現THz頻率的調節，如圖7所示。空心激光束的半徑a在0.1mm時，THz輻射頻率在1THz。原理上講，該方法能夠產生任意高頻電磁場，激勵的頻率反比于空心等離子體的內半徑。隨著等離子體環的半徑更小，有望產生更高頻的信號。
產生太赫茲的頻率可受空心等離子體密度的調節。不同等離子體密度，使得等離子體有不同的等效半徑，太赫茲的頻率有變化。不失一般性，等離子體電導率為σ＝ε0νmωp2/(ω2+νm2)，其中碰撞頻率νm，等離子體頻率ωp＝(nee2/ε0m)1/2。趨膚深度定義為δ＝(2/(σωμ))1/2。對于等離子體密度ne～5x1016cm-3，ω＝2πx11.4x109/s，在1個大氣壓下νm～5x1011/s，電導率σ＝5.5x103Ωm，趨膚深度為δ＝80um。等離子體等效半徑為a+δ。故而不同等離子體密度，產生太赫茲頻率不同。
產生的太赫茲能量取決于被空心等離子體約束的電或電磁儲能，隨著被約束的電能提高，太赫茲輻射能量WT提高。預先施加的電磁能W可以來源于脈沖電源或者來源于微波腔中的儲能。太赫茲能量WT～Wπr2L/V，其中V為電磁能存在的體積，πr2L為空心等離子體包圍的體積，r為空心等離子體半徑、L為等離子體長度。通過改變背景儲能W和空心等離子體半徑實現功率可調、頻率可調的太赫茲輻射。
本發明裝置通過一對具有相同頂角的發散和聚焦的圓錐棱鏡(Axicon)并聯合一個凸透鏡，將注入高斯分布的實心飛秒激光轉換成空心環形激光，通過控制透鏡和圓錐棱鏡的不同距離，調節空心激光內徑的變化，如圖2所示。這樣前后移動光學組件并改變與作用腔之間的距離時，只改變了等離子體環的厚度和密度，而不改變等離子體內半徑，因此就控制了THz的頻率問題。通過前后移動凸透鏡，可調節和控制空心激光的內半徑，以調控THz的頻率。
當激光功率密度大于1014～1015W/cm2時，發生隧道電離，電子數密度不是指數上漲，而是類階越函數，在幾個激光周期內，強激光電場就能確定性地把全部原子的外層電子拉出來。隧道電離率決定于激光場強、原子種類和原子數密度，隨著原子序數增加、原子核對外層電子的束縛作用減弱、隧道電離閾值降低，例如惰性氣體原子Xe在功率密度1014W/cm2可很好地實現隧道電離，比Ar原子的隧道電離數高一個量級。此外，原子密度越大、電子數密度就越高，提高背景氣壓有利于提高等離子體密度。
如圖1所示，在激光入射和出射側施加石英窗實現氣體密封并且不遮擋通路，空心飛秒激光沿著激光通道5傳輸，脈沖驅動源和電源的電極4。儲能腔7通過密封三通6實現抽真空、注入惰性氣體和氣壓檢測的功能。隧道電離形成等離子體靠近電源電極4表面的高能量密度區域，實現空心等離子體內約束背景電磁能。通過透明導電薄膜ITO透射激光、反射太赫茲波到垂直方向，由葛來盒(Golay Cell)和鎖相放大器聯合測量THz信號、并排除散射激光和背景雜散能量的干擾。為降低實驗難度，初步實驗中采用直流電源而未采用脈沖功率源，在直流電壓下氙氣的擊穿電場閾值低、這限制了產生THz的功率。
實驗中發現，隨著激光功率增加，產生THz的功率指數提高，表明THz能量并非來源于激光能量，激光功率密度提高使得隧道電離的等離子體密度顯著增加，提高了空心等離子體約束和轉換電磁能的能力。通過THz濾波片可以判定產生信號的頻率位于太赫茲限于氣體擊穿，葛來盒和鎖相放大器聯合測量太赫茲信號的平均功率約0.1mW。
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