多色飞秒激光场产生高能量超宽带太赫兹辐射的研究进展

飞秒激光聚焦在空气中能够产生高能量超宽带的太赫兹辐射，这种强场太赫兹辐射在物态操控、太赫兹通信、生物医学成像等领域具有重要的应用价值。采用双色乃至多色激光场是提高气体等离子体中太赫兹辐射强度的关键路径之一。本文回顾了多色场驱动空气等离子体太赫兹辐射源的发展历程，按照单色场、双色场到三色场的发展脉络，从实验方案、理论原理、优化探索三方面综述了国内外多色飞秒光场驱动气体等离子体太赫兹辐射的研究现状和最新成果，并对该方向的未来发展进行了展望。     

少数周期光脉冲的初始载波包络相位的测量

提出了利用空气成丝产生的太赫兹波测量少数周期激光的初始载波包络相位（CEP）的方法。空气等离子体产生的太赫兹波形的演变可以用来探测传播中的少数周期激光的载波包络相位的变化。在少数周期强激光场，太赫兹波形反转的数目和反转位置都有规律地依赖于少数周期激光的载波包络相位。利用光电流模型的计算结果表明，在适中的能量范围内，对于所有的初始CEP，太赫兹波形反转点数目是两个或者一个，且在不同输入能量下，总是在初始CEP 为0.5 时，太赫兹波形的两个反转点变为一个反转点。这可以提供准确测量驱动激光场初始CEP 的方法。     

气体等离子体产生太赫兹波的特性研究

基于光电流模型,对不同偏振情况的双色飞秒激光脉冲聚焦产生的气体等离子体中辐射出的太赫兹波特性进行了研究。根据光电流理论,气体分子被电离释放出的自由电子在非对称的激光场的作用下运动形成电子电流,产生在太赫兹波段的辐射。研究结果表明,太赫兹辐射的偏振特性与强度和入射双色激光的偏振特性紧密相关,仅当双色脉冲均为线偏振时,辐射出的太赫兹波才为线偏振,且强度受到双色脉冲偏振方向的夹角的影响;而对于实验中经过倍频晶体后变成椭圆偏振的基频光,太赫兹强度与倍频晶体的具体放置情况有很大关系,并且产生的太赫兹为椭圆偏振。     

基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹到中红外超宽带辐射产生

超强少周期激光脉冲与气体等离子体作用可以产生强的宽带太赫兹脉冲辐射。本文以数值计算为主要工具研究了少周期激光脉冲与气体等离子体成丝作用产生的等离子体电流及对应的太赫兹辐射特性。该过程中的等离子体电离处于多光子电离和隧道电离的过渡阶段。结果显示,该机制能够产生从太赫兹到中红外的超宽带辐射,且辐射的电场振幅是少周期激光脉冲载波相位的周期函数。太赫兹脉冲由激光脉冲脉宽和等离子体电离的时间演化确定,而不是由等离子体密度决定。本文为基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用产生超宽带太赫兹辐射的实验提供了一定的理论参考。     

超快激光成丝产生太赫兹波的研究

研究了超快激光脉冲成丝辐射太赫兹(Terahertz, THz)波.考虑到THz 波在安全检查和国防建设等方面具有十分重要的意义, 文中总结了超快激光成丝产生太赫兹波的物理机制和控制技术, 并对各种相关理论和技术进行了分析.文章从理论模型、偏振特性和远场角分布情况等方面来介绍物理机制, 并探讨为满足应用需求的控制技术, 主要包括强度、偏振和波形控制.研究表明, 超快激光成丝辐射太赫兹波的产生方式、理论模型和控制形式均有多种, 其中理论模型主要包括四波混频模型和光电流模型, 强度控制技术主要包括双色场泵浦和在光丝通道两侧施加偏压.     

圆偏振周期量级红外激光脉冲驱动产生太赫兹辐射

研究了周期量级的圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的偏振特性。将中心波长1.8 m、脉宽8.6 fs 的圆偏振红外激光脉冲聚焦到空气中,形成等离子体细丝,产生太赫兹辐射。通过测量太赫兹辐射的偏振状态,和偏振方向与驱动激光载波-包络相位的关系,发展太赫兹波偏振控制的方法。实验结果表明,太赫兹辐射为椭圆偏振,而且偏振平面随着驱动激光载波-包络相位的变化而转动。这对太赫兹波的偏振控制有重要意义,并为周期量级激光载波-包络相位的测量提供了新方法。     

多周期色散管理系统中交叉相位调制产生的相移研究

以泵浦探测波结构为例，针对多周期色散管理系统，研究了色散作用下交叉相位调制产生的相位移动，推导了多段放大线路中色散作用下交叉相位调制产生的相移表达式，对该表达式进行简化得到了特定线路中色散作用下交叉相位调制所致的相移表达式。研究表明，线路总相移正比于传输线路中的光纤段数，随着调制频率的提高，相移量总体趋势逐渐减小，局部出现极大极小波动，且波动周期随走离参量增大逐渐减小，在高频段色散对交叉相位调制产生的相移产生显著影响，随着调制频率的提高，色散对相移的贡献正负交替变化，解析和仿真结论能较好吻合。     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出

利用一台多纵模调Q Nd:YAG激光器泵浦的浅表垂直发射太赫兹波参量振荡器参量产生了高功率可调谐太赫兹波辐射。推导了非共线相位匹配条件下的有效参量增益长度以优化太赫兹波参量振荡器参数。实验测得太赫兹波的调谐范围为0.77~2.83 THz。当泵浦功率密度为222.3 MW/cm2时,在1.78 THz处太赫兹波的最大输出能量为347.8 nJ/pulse,对应的能量转化效率为3.9110-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0.020 4 rad,在水平方向上为0.006 8 rad。     

太赫兹脉冲的短距离大气传输特性

基于van-Vleck Weisskopf线型与辐射传输色散理论,结合JPL数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,形成了对宽频太赫兹辐射脉冲在大气中的吸收衰减的数值模拟能力;并对利用太赫兹时域光谱技术(THzTDS)所获得的透射光谱实测结果进行了对比分析,研究了不同水汽密度对太赫兹时域脉冲幅值、相位及频谱特性的影响.研究结果表明:短距离大气传输条件下,0.1~0.5 THz频段太赫兹脉冲的最大传输速率达20 Gb/s以上,相较于单模光纤,更具短距离通信优势.     

THz时域光谱诊断激光等离子体密度和碰撞频率

从电子在THz波电场中的运动方程出发,讨论了THz波在等离子体中的传播规律.从而可以得到由等离子体电子密度和碰撞频率决定的THz波的复折射率.该复折射率决定了THz波在等离子体中的传播,即THz脉冲相位和振幅变化.THz时域光谱系统可以测量THz波传播的相位和振幅,因此可以利用THz时域光谱来诊断等离子体密度和碰撞频率.由于受到等离子体色散关系的限制,该方法测量的等离子体密度有一定范围.在等离子体电子密度位于10~(12)~10~(16)/cm~3之间内,该方法可以得到较好的应用.     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

Propagation of Magnetostatic Surface Waves in a Dissipative Ferrite Plate

In the geometry of a plane-parallel in-plane magnetized ferrite plate with dissipation, the dispersion of forward and backward magnetostatic surface waves propagating in an arbitrary direction relative to the field has been investigated. Dispersion curves as functions of the imaginary and real parts of the complex wave number has been constructed. The group velocity of both wave propagation and increase of wave attenuation have been considered. The frequency range of the experimentally observable waves has been estimated at a specified level of sensitivity of the measuring instruments.     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

Transient signal propagation through an inhomogeneous plasma

The propagation of a transient electromagnetic field through a cold, isotropic, lossless, inhomogeneous plasma is considered. The electron density of the plasma decreases exponentially in the direction of propagation. For incident transient signals whose Laplace transforms are regular at infinity and whose only singularities are poles, the transient electric field propagated through the plasma can be expressed as a sum of exponential waves at discrete complex frequencies. The characteristic frequencies of the inhomogeneous plasma are related to the zeros of the modified Bessel function of the first kind of fixed argument and variable order. When the Laplace transform of the incident signal is not well-behaved at infinity, approximate methods may be used to evaluate the transient electric field. The propagation of a step sine wave and of a quasi-monochromatic Gaussian pulse are considered. It is found that for plasmas characteristic of reentry boundary layers, the effect of the plasma layer on dispersion is very small. The principal effect of the layer is to attenuate a signal propagated through it.     

飞秒等离子体间非线性作用对超高频电磁波影响的研究

主要研究了飞秒等离子间相互的非线性作用对超高频电磁波——太赫兹波产生的影响。国内外许多研究机构已经证实,在太赫兹波产生的过程中,等离子体间的相互非线性作用会对太赫兹波产生影响。笔者结合理论分析设计并搭建一种了双束等离子体重合产生太赫兹波的测试系统,研究发现等离子体间相互非线性作用时,会产生三阶非线性光学效应,等离子体的折射率和相位发生变化形成非均匀场导致了太赫兹波辐射能量的降低,并在实验测量研究中发现随着等离子体波长双束等离子波长的增加,等离子体密度增加,导致太赫兹波的辐射能量的降低现象更加明显,另外,等离子体功率越大,太赫兹波吸收越大。同时,研究发现等离子体周围惰性气体分子质量影响太赫兹降低程度,气体分子质量决定着飞秒激光聚焦空气电离出的等离子体所形成的电场强度,分子质量越高,所形成的电场强度越强,双束等离子体重合时对太赫兹波降低的辐值越大。这些为研究等离子体间非线性作用对太赫兹波的影响提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

Single-Cycle Terahertz Pulse Generation from OH1 Crystal via Cherenkov Phase Matching

OH1 crystal is an organic nonlinear optical crystal with a large nonlinear optical constant. However, it has dispersion of refractive indices in the terahertz (THz) frequency. This limits the frequencies that satisfy the phase matching conditions for THz wave generation. In this study, we addressed the phase matching conditions for THz wave generation by combining an OH1 crystal with prism-coupled Cherenkov phase matching. We observed the generation of single-cycle THz pulses with a spectrum covering a frequency range of 3 THz. These results prove that combining prism-coupled Cherenkov phase matching with nonlinear optical crystals yields a THz wave generation method that is insusceptible to crystal dispersion.     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

Discrete Terahertz Beam Steering with an Electrically Controlled Liquid Crystal Device

We present an electronic beam switching/steering device for operation at THz frequencies. The propagation direction of the THz beam is switched via electronic manipulation of the refractive index of a liquid crystal. The design of the steering device and the parameters of the liquid crystal are described and angle-dependent THz-TDS measurements of the beam steering are reported. This device is able to deflect the propagation direction of the THz beam by 6.3?°. This particular device approach offers a viable option for beam steering/switching in various THz applications including fiber switches, scanning imagers, and free-space communication systems in which the detector or emitter is in motion.