太赫茲波的古依相移研究

2015-01-22 20:12:56彭滟周云燕陳麟

光學(xué)儀器 2014年6期

彭滟+周云燕+陳麟

摘要：為了測(cè)量太赫茲波聚焦點(diǎn)附近不同位置的太赫茲時(shí)域信號(hào)圖對(duì)飛秒脈沖強(qiáng)激光在空氣中進(jìn)行聚焦，在形成空氣等離子體細(xì)絲通道的同時(shí)輻射出錐型太赫茲波，并用離軸拋物面金鏡收集和聚焦太赫茲波。利用電光采樣系統(tǒng)來探測(cè)太赫茲波，得到其頻譜寬度約為4 THz。通過對(duì)比分析得出，會(huì)聚的太赫茲波同樣具有古依相移效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：太赫茲波；電光采樣；古依相移

中圖分類號(hào)： O 437文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.005

引言太赫茲波（Terahertz wave）是介于微波和紅外輻射之間、振蕩頻率在0.1 THz到10 THz（1 THz=1012 Hz）之間的一種電磁輻射。在電子學(xué)領(lǐng)域，太赫茲波被稱為毫米波或亞毫米波；在光譜學(xué)領(lǐng)域，它則被稱為遠(yuǎn)紅外射線。太赫茲波具有穿透力強(qiáng)、安全性高、可識(shí)別不同物質(zhì)等特點(diǎn)。近20多年來，太赫茲波段的研究是一個(gè)非常熱門而且不斷涌現(xiàn)出新科學(xué)成果的領(lǐng)域。許多研究者致力于太赫茲的發(fā)射源和探測(cè)器、太赫茲波與物質(zhì)的相互作用、太赫茲波成像、寬帶通信等方面的研究，并且已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[1]。隨著20世紀(jì)80年代一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快激光的發(fā)展，太赫茲技術(shù)得以迅速發(fā)展。2001年，Cheng等就曾理論預(yù)測(cè)，超短強(qiáng)激光在空氣中傳輸形成的等離子體細(xì)絲可以產(chǎn)生徑向偏振的太赫茲波；隨后在2002年，Tzortzakis等首次在實(shí)驗(yàn)中利用外差探測(cè)方法探測(cè)到大氣等離子體細(xì)絲產(chǎn)生的徑向太赫茲輻射波，證實(shí)了Cheng等的理論預(yù)測(cè)[1]，由此為太赫茲波的產(chǎn)生開辟了一條新的道路。緊接著，人們對(duì)氣體等離子體細(xì)絲做了大量研究。目前，利用超短強(qiáng)激光形成的等離子體細(xì)絲已經(jīng)成為了一種高強(qiáng)度寬頻譜的太赫茲波源。法國物理學(xué)家Gouy曾證明聚焦的波束在經(jīng)過焦點(diǎn)后，從焦點(diǎn)一側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)到另一側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)會(huì)比同頻率的平面波束多獲得π的相移，這被稱之為“古依相移”[2]。目前，針對(duì)古依相移的研究都是在可見光波段的激光實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。本文是利用空氣等離子體產(chǎn)生了周期性的太赫茲脈沖[3]，采用電光采樣方法進(jìn)行探測(cè)[4]，證實(shí)了聚焦后的太赫茲波同樣具有古依相移效應(yīng)。1實(shí)驗(yàn)原理及裝置

1.1太赫茲波的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中，使用摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光放大級(jí)系統(tǒng)，其輸出中心波長(zhǎng)為800 nm、脈沖寬度為130 fs、重復(fù)頻率為1 kHz、單脈沖能量為7.5 mJ的超短脈沖激光。當(dāng)超短飛秒脈沖激光在空氣中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生非線性Kerr自聚焦效應(yīng)，并且會(huì)電離大氣產(chǎn)生等離子體散焦效應(yīng)，當(dāng)兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，超短飛秒激光脈沖在時(shí)間空間上的分布達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定，于是形成等離子體細(xì)絲通道[1]，其長(zhǎng)度超過光束瑞利長(zhǎng)度很多倍，通道直徑只有微米量級(jí)[5]。通過三階非線性過程，太赫茲波和光波發(fā)生如下的四波混頻過程[6]光學(xué)儀器第36卷

第6期彭滟，等：太赫茲波的古依相移研究

ΩTHz=（2ω+ΩTHz）-ω-ω=0（1）式中，ω為基頻光的頻率，2ω為基頻光的頻率，ΩTHz為太赫茲波的頻率。太赫茲脈沖的電場(chǎng)可以表示為ETHz∝χ（3）IωI2ω（2）式中，ETHz為太赫茲脈沖的電場(chǎng)，χ（3）為空氣的三階非線性系數(shù)，Iω為基頻光光強(qiáng)，I2ω為倍頻光光強(qiáng)。然而，由于空氣的三階非線性系數(shù)χ（3）并不高，在室溫下只有1.68×10-25 m2/V2，因此對(duì)亞毫焦能量的飛秒激光脈沖聚焦后，通過電離焦點(diǎn)處空氣來提高太赫茲波的產(chǎn)生效率。

1.2太赫茲波的探測(cè)等離子體細(xì)絲通道輻射出的錐型太赫茲波[7]，經(jīng)離軸拋物面金鏡收集后聚焦到電光晶體上，再利用電光采樣系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)（實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)中，使用厚度為500 μm〈110〉晶向的碲化鋅晶體（ZnTe）作為電光晶體，從泵浦光光源分得的激光作為探測(cè)光束。當(dāng)太赫茲波和探測(cè)光束同時(shí)傳輸通過電光晶體時(shí)，太赫茲波使電光晶體產(chǎn)生感生雙折射效應(yīng)，從而使線性偏振的探測(cè)光束產(chǎn)生微小的橢圓極化，經(jīng)過1/4波片后演變?yōu)橐粋€(gè)接近圓極化的橢圓極化。渥拉斯頓棱鏡將探測(cè)光束分成偏振相互垂直的兩個(gè)分量，然后由兩個(gè)光電二極管分別探測(cè)。兩個(gè)分量的強(qiáng)度之差正比于太赫茲波的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而探測(cè)出太赫茲波的相對(duì)強(qiáng)度。受探測(cè)光脈沖寬度及碲化鋅晶體響應(yīng)頻率的限制，以及空氣中水氣對(duì)太赫茲吸收的影響[3]，測(cè)得的太赫茲頻譜寬度約為4 THz，如圖2所示。相比于光整流方法或光電導(dǎo)天線方法產(chǎn)生的太赫茲波，利用空氣等離子體細(xì)絲產(chǎn)生的太赫茲波其頻譜要寬很多，可以拓寬太赫茲波在實(shí)時(shí)成像、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、遙感探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析從太赫茲波焦點(diǎn)一側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)向另一側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)方向移動(dòng)碲化鋅晶體，每隔2 mm探測(cè)一次太赫茲信號(hào)，得到一組關(guān)于太赫茲波焦點(diǎn)附近不同位置的時(shí)域信號(hào)圖，如圖3所示（曲線從上至下是按碲化鋅晶體不同位置依次排開）。為了方便比較，從圖3中選取2條曲線，A線與B線。由圖3可以看出，在時(shí)間軸上的同一時(shí)刻，A線與B線相位恰好相差π，即會(huì)聚的太赫茲波產(chǎn)生了古依相移[811]，并且這兩點(diǎn)位置的太赫茲波形關(guān)于幾何焦點(diǎn)呈反對(duì)稱。而圖3中最頂端曲線和最下方曲線的太赫茲波時(shí)域信號(hào)不明顯，是由于碲化鋅晶體位置已經(jīng)偏離太赫茲焦點(diǎn)，照射到碲化鋅晶體上的能量太弱，不足以使晶體產(chǎn)生巨大的感生雙折射效應(yīng)。3結(jié)論隨著超快強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，目前，超快強(qiáng)激光形成等離子體細(xì)絲已經(jīng)成為了一種產(chǎn)生高強(qiáng)度寬頻譜太赫茲波的簡(jiǎn)單方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，會(huì)聚的太赫茲波同樣具有古依相移效應(yīng)，這意味著人們對(duì)太赫茲波領(lǐng)域的研究又深入了一步。

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