CN112114463A - 一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法，其中，所述装置包括：分束合束组件，接收输入的目标激光进行分束处理和合束处理，生成包含倍频光斑和基频空心光斑阵列的聚焦激光合束，其中基频空心光斑阵列的光斑半径可变，基频空心光斑阵列叠加倍频光斑可提高单个空心光斑的太赫兹产生效率，有效提高整体太赫兹波的能量，也可以通过调节空心特性实现对太赫兹波的频率调整，实现在需求频段上的能量集中；太赫兹波生成组件接收分束合束组件射入腔体内的聚焦激光合束，基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从腔体辐射出太赫兹波，可实现高强度窄线宽的太赫兹波输出。

Description

一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波技术领域，尤其涉及一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法。

背景技术

太赫兹波段通常是指0.1-10THz频率范围内的电磁辐射，该波段介于红外与微波波段之间。在生物安全性上优于X射线等高能光子波段，而相较微波具有更高的空间分辨特性和更高的频率。此外，大量分子的转动或振动能级处在太赫兹波段，因此太赫兹波在生物医学、无线通信、雷达成像、无损检测和安全检查等领域具有非常广阔的应用前景。

太赫兹波的产生可主要分为光学与电子学产生两类，对应于原始频率的上转换或下转换。对于光学技术产生太赫兹波辐射，一般包括以下几种：与超短激光脉冲有关的能产生太赫兹波辐射的光电导、光整流、等离子体四波混频等等。对于电子学技术产生太赫兹波辐射，一般的太赫兹波源包括微型真空电子器件、相对论性电子器件、半导体激光器等等。

近年来，随着基于等离子体的太赫兹实验结果不断提出，越来越多的研究人员认为等离子体本身的太赫兹波具有独特性，而这些独特特性是在简单模型中未曾考虑的。例如，等离子体内部的准束缚自由电子(虽然可以***，但是等离子体中的电子可由等离子体边界束缚，同时电子-离子之间相互作用会导致等离子体的特征振荡)决定了其与单纯气体或者金属相比具有非常显著的差异。这些原因表明，由于激光产生的等离子体振荡频率与太赫兹本征振荡频率，此时并不能用简单的模型予以描述。同样的，基于上述理解，在太赫兹的产生方面同样可以有所提高。

现有技术中，通常基于光学激光场方法产生的太赫兹波具有宽波段特性，因此即便能量转换效率不低，但是在单个需求频段上的能量则比较低。如果对基于等离子体的太赫兹波进行操控，实现在需求频段上的能量集中，则有望进一步突破基于光学方法的可调谐太赫兹波的产生。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

本发明实施例提供了一种产生可调谐太赫兹波的装置，包括：

分束合束组件，所述分束合束组件接收输入的目标激光进行分束处理和合束处理，生成包含倍频光斑和基频空心光斑阵列的聚焦激光合束，其中，基频空心光斑阵列的光斑半径可变；

太赫兹波生成组件，所述太赫兹波生成组件内包含充入惰性气体的腔体，所述腔体内布置有匀强电场，所述太赫兹波生成组件接收所述分束合束组件射入所述腔体内的聚焦激光合束，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，所述分束合束组件包括：

倍频晶体，接收输入的目标激光进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束；

分束镜，所述分束镜接收输入的所述共线激光光束进行分束，生成基频光束和倍频光束；

波前相位调制模块，所述波前相位调制模块接收输入的基频光束进行相位调制，生成基频空心光斑阵列；

望远镜组件，所述望远镜组件接收输入的倍频光束进行处理，生成倍频光斑；

合束镜，所述合束镜接收基频空心光斑阵列和倍频光斑进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束；

聚焦镜，所述聚焦镜接收所述激光合束进行聚焦处理，生成聚焦激光合束。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，所述分束合束组件还包括：用于调节基频空心光斑阵列的光斑大小的光斑调节模块，所述光斑调节模块设置于所述分束镜和所述波前相位调制模块之间。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，所述望远镜组件包括：依次排布的第一反射镜、凹透镜、凸透镜和第二反射镜；

所述倍频光束依次经过第一反射镜、凹透镜、凸透镜和第二反射镜进行处理，生成倍频光斑。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，所述分束镜为双色分束镜，所述合束镜为双色合束镜。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，所述太赫兹波生成组件还包括：

脉冲电源，用于提供脉冲电压；

第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板布置于所述腔体内，且所述第一电极板和第二电极板均通过射频阻抗匹配与所述脉冲电源连接，以在所述腔体内形成所述匀强电场。

本发明实施例还提供一种产生可调谐太赫兹波的方法，用于如上所述的产生可调谐太赫兹波的装置，所述方法包括：

将目标激光输入至分束合束组件进行分束处理和合束处理，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的聚焦激光合束；

所述分束合束组件将所述聚焦激光合束射入太赫兹波生成组件的腔体内，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的方法，将目标激光输入至分束合束组件进行分束处理和合束处理，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的聚焦激光合束，包括：

将所述目标激光输入至倍频晶体进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束；

将所述共线激光光束输入至分束镜进行分束，生成基频光束和倍频光束；

将所述基频光束输入波前相位调制模块进行相位调制，生成基频空心光斑阵列；

将所述倍频光束输入望远镜组件进行处理，生成倍频光斑；

将所述基频空心光斑阵列和倍频光斑输入至合束镜进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束；

将所述激光合束输入至聚焦镜进行聚焦处理，生成聚焦激光合束。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的方法，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波，包括：

所述基频空心光斑阵列在所述惰性气体内隧穿电离形成等离子体阵列；

所述等离子体阵列接收匀强电场的储能，并在所述倍频光斑的驱动下形成太赫兹波。

根据本发明一个实施例的产生可调谐太赫兹波的方法，在生成基频空心光斑阵列之后，所述方法还包括：

将所述基频空心光斑阵列输入至光斑调节模块，以调节所述基频空心光斑阵列的光斑大小。

本发明实施例提供的产生可调谐太赫兹波的装置及方法，通过分束合束组件得到阵列式半径可变的基频空心光斑阵列，再将基频空心光斑阵列与倍频光斑在空间上合束，可进一步提高单个空心光斑的太赫兹产生效率，有效提高整体太赫兹波的能量，优于单个空心等离子体的太赫兹波辐射，也可以通过调节空心特性实现对太赫兹波的频率调整，实现在需求频段上的能量集中。然后通过太赫兹波生成组件使基频空心光斑阵列生成太赫兹波，既可以利用聚焦激光合束下的惰性气体的隧穿电离作用以及倍频光斑的驱动作用产生宽波段的太赫兹，也可以利用基频空心光斑阵列包裹的匀强电场储能形成目标辐射频率的太赫兹波波段辐射，实现高强度窄线宽的太赫兹波输出。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的可调谐太赫兹波的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的太赫兹波生成组件的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的聚焦后的基频空心光斑阵列(3*3)的示意图；

图4是本发明另一实施例提供的可调谐太赫兹波的方法的流程示意图。

附图标记

20—分束合束组件；

201—倍频晶体；202—分束镜；

203—波前相位调制模块；204—合束镜；

205—第一反射镜；206—凹透镜；207—凸透镜；

208—第二反射镜；209—聚焦镜；

30—太赫兹波生成组件；

301—脉冲电源；302—射频阻抗匹配；

303—第一电极板；304—出射窗；305—第二电极板；

306—进气端；307—电极接地；

308—出气端；309—入射窗。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明一个或多个实施例。在本发明一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本发明一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

首先，对本发明一个或多个实施例涉及的名词术语进行解释。

调谐：一般而言，在激光工作物质、激励方式以及光学共振腔等条件给定的情况下，激光的输出频率或波长是确定不变的，但是通过一定的附加技术，可以在一定程度上或一定范围内控制输出的激光波长，使其按照可控方式发生连续的变化，称为激光调谐技术。

飞秒激光：飞秒(femtosecond，fs)也叫毫微微秒，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是目前在实验室条件获得强功率短脉冲的通常技术手段。

基频光束：飞秒激光***输出的电磁场振荡频率，是双色复合波中的低频率的光束。

倍频光束：利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的基频激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光束，称为倍频技术，或二次谐波振荡。如将0.8微米的激光通过倍频晶体，变成0.4微米的蓝光。

基频空心光斑阵列：位于基频频率，多个空心光斑形成的阵列。基于基频空心光斑阵列，可以有效提高整体太赫兹波的能量，优于单个空心等离子体的太赫兹波。

倍频光斑：倍频光经过望远镜***形成的光斑，该倍频光斑的大小要比基频空心光斑大很多。倍频光斑用于和基频空心光斑阵列进行合束，倍频光斑在焦点位置覆盖基频空心光斑阵列，可通过改变时间延迟以实现对产生的基频空心光斑阵列中的自由电子运动特性的调控。

波前相位调制模块：可以对基频光束实现波前的相位调控，生成基频空心光斑阵列，实现光斑特性的复杂调制。

分束镜：在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束双色激光投射到镀膜玻璃上后，这种镜片通常对一种频率的激光反射而对另一种频率的激光透射，光束就被分为两束，这种镀膜玻璃就叫做分束镜。

合束镜：把不同波段两束光合为一束的镀膜玻璃就叫做合束镜。

消色差透镜：消色差透镜是通过将多片镀膜透镜予以组合，利用中间的空气缝隙等进行补偿，实现不同波段光纤聚焦过程中的色差校正。

在本发明实施例中，提供了一种产生可调谐太赫兹波的装置及方法，在下面的实施例中逐一进行详细说明。

本发明实施例提供了一种产生可调谐太赫兹波的装置，如图1所示，包括：分束合束组件20以及太赫兹波生成组件30。其中，分束合束组件20用于将入射的目标激光束先进行分束，分别生成基频光束和倍频光束，然后再分别对基频光束和倍频光束进行处理，分别生成基频空心光斑阵列和倍频光斑，最后再进行合束，生成包含倍频光斑和基频空心光斑阵列的聚焦激光合束；太赫兹波生成组件30内形成充入惰性气体的腔体，所述腔体内布置有匀强电场，太赫兹波生成组件30接收所述分束合束组件20射入腔体内的聚焦激光合束，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

其中，基频空心光斑阵列的光斑半径可变。本实施例中，通过调节空心光斑阵列的空心光斑半径，可调控等效波导的截止频率，为后续阶段的匀强电场提供带通滤波，从而实现窄线宽高强度的太赫兹波输出。

并且，该空心光斑阵列与倍频脉冲在空间重合可实现阵列式太赫兹波，并且该阵列式太赫兹波可以通过调节空心光斑中的空心尺寸实现对于基频空心光斑阵列的截止频率的调制，并实现窄线宽的太赫兹波。

具体地，参见图1，分束合束组件的结构包括：倍频晶体201、分束镜202、波前相位调制模块203、望远镜组件、合束镜204和聚焦镜209。

本实施例中，目标激光可以为多种，本实施例中优选为飞秒激光，由于飞秒激光具有非常高的瞬时功率，从而可以实现高强度的太赫兹波输出。

倍频晶体201可选用偏硼酸钡晶体(BBO晶体)或其他倍频用晶体，通过相位匹配实现倍频辐射。倍频晶体201用于接收输入的目标激光进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束。

经过倍频晶体201实现倍频辐射生成的共线激光光束，射入分束镜202，以实现分束，生成基频光束和倍频光束。

本实施例中，分束镜202可以为双色分束镜，也可以为多色分束镜，本实施例中优选为双色分束镜，以实现将基频光透射形成基频光束，倍频光反射形成倍频光束。对应地，合束镜204优选为双色合束镜。

通常，飞秒激光的倍频产生效率大致在20％，因此采用双色场方案应用于太赫兹波的产生过程中，基频光束的场强较强并用于产生等离子体。

在生成基频光束和倍频光束后，对于生成的基频光束，输入至波前相位调制模块203进行相位调制，生成基频空心光斑阵列。

本实施例中，先通过倍频晶体201，再进行波前相位调制的原因是，通过将基频光束与倍频光束分离，可以实现两束光的各自调制；如先进行相位调制再通过倍频晶体201，则有可能由于波前的相位特性复杂，影响倍频过程的相位匹配导致倍频光的相位复杂，同时也有可能导致基频光束与倍频光束在聚焦过程中焦点位置空间不重合。

另外，本实施例中通过生成基频空心光斑阵列，优于单个空心等离子体的太赫兹波，也可以通过调节空心特性实现对太赫兹波的频率调整，实现在需求频段上的能量集中。

可选地，分束镜202和波前相位调制模块203之间还可以进一步设置有光斑调节模块，用于调节基频空心光斑阵列的光斑大小。

其中，光斑调节模块的结构可以为多种，例如在一种具体使用场景下，通过凸透镜、发散圆锥棱镜、聚焦圆锥棱镜组成光斑调节模块，调节凸透镜距离发散圆锥棱镜和聚焦圆锥棱镜的距离，可以调节基频空心光斑阵列的光斑大小。

另外，对于生成的倍频光束，输入至望远镜组件进行处理，生成倍频光斑。具体地，参见图1，望远镜组件包括：依次排布的第一反射镜205、凹透镜206、凸透镜207和第二反射镜208。倍频光束依次经过第一反射镜205、凹透镜206、凸透镜207和第二反射镜208进行处理，生成倍频光斑。

本实施例中，通过调节凹透镜206和凸透镜207的焦距比，可以对倍频光斑进行放大。其中，倍频光斑要覆盖基频空心光斑阵列。

然后，通过合束镜204接收基频空心光斑阵列和倍频光斑进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束。本实施例中，合束镜204优选为双色合束镜，以实现基频光斑和倍频光斑的合束。

生成的激光合束后，基频光能量较强，但是还不能实现等离子体阵列的生成，是需要通过聚焦才可以产生等离子体的。本实施例中，放大后的倍频光光斑通过第二反射镜208反射后，再通过双色合束镜204与波前相位调制后的基频空心光斑阵列合束，通过聚焦镜209向太赫兹波生成组件210聚焦。倍频光在焦平面位置处，需在空间上覆盖基频空心光斑阵列。

具体地，聚焦镜209可以为多种，例如凸透镜、消色差透镜等，本实施例优选为消色差透镜，以配合双色分束镜和双色合束镜使用。

通过聚焦，基频光斑和倍频光斑的合场可以驱动等离子体阵列中的电子运动，从而获得辐射能量。

具体地，太赫兹波生成组件30内形成充入惰性气体的腔体，所述腔体内布置有匀强电场。聚焦激光合束射入腔体内，基频空心光斑阵列在惰性气体、匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波，并将太赫兹波出射。

具体地，参见图2，太赫兹波生成组件30包括：

脉冲电源301，用于提供脉冲电压。利用脉冲电压可以提高等离子体阵列中的等离子体的击穿阈值，为等离子体阵列形成前提供电磁储能。

第一电极板303和第二电极板305，第一电极板303和第二电极板305布置于腔体内，且第一电极板303和第二电极板305均通过射频阻抗匹配302与脉冲电源301连接，以在腔体内形成匀强电场。

电极接地307，与第二电极板305连接，以形成回路。

具体地，太赫兹波生成组件30包括：

入射窗309，所述聚焦激光合束经由入射窗309射入所述腔体内；

出射窗304，所述太赫兹波经由所述出射窗304出射。

其中，出射窗304为硅透镜出射窗，且硅透镜的焦距位于第一电极板303和第二电极板305之间，出射的太赫兹波由硅透镜从发散转为平面光输出。

另外，太赫兹波生成组件30还包括：进气端306和出气端308，进气端306和出气端308分别与腔体连接，进气端306将惰性气体输入至腔体内。

具体地，惰性气体可选用氩气、氙气等较易电离的气体，以使射入腔体的聚焦激光合束可以在惰性气体中发生隧穿电离作用，生成等离子体阵列。

假设基频光场强为E₀，那么对于具备电离阈I_p的原子而言，其电离的主要机制将是隧穿电离机制，根据隧穿电离的ADK公式如下：

Γ∝exp[-2(2I_p)^3/2/3E₀](1)

其中，Γ为电离速率；I_p为电离阈；E₀为基频光场强度。

由公式(1)可见，对于特定气体而言，该气体的电离阈I_p为一固定值，影响电离速率的变量主要是基频光场强度。因此，等离子体的产生主要依靠基频阵列光斑。等离子体中电离出的电子会在基频与倍频的合场下表现出群体运动特性，这种群体电子运动是太赫兹波的主要原因。

脉冲电源301通过射频阻抗匹配302对第一电极板303与第二电极板305施加脉冲电压，在该区域不击穿气体。腔体通过出气端308抽气，再将气体从进气端306充入，充入气体可选用氩气、氙气等较易电离的气体。飞秒激光的时间尺度大约是10^-15秒，在飞秒激光产生等离子体的瞬间，通过电极板对等离子体施加的脉冲电压可近似认为是不变的，而电极板的恰当设计可以保证在电极板间形成匀强电场。第一电极板303与第二电极板305通过匀强电场加压，可以为腔体内气体提供有效的电磁储能，这种电磁储能在等离子体形成瞬态波导之后，同样可以发生太赫兹波段辐射。

参见图3，基频空心光斑阵列通过聚焦镜209聚焦至两个电极板303和305之间的位置，形成如图3的聚焦后的基频空心光斑阵列，基频空心光斑阵列的聚焦场强接近于惰性气体原子或分子的库伦场强，通过电离可实现空间上的等离子体阵列。不同的等离子体波导半径可以通过改变基频空心光斑的空心环半径来实现特征输出频率的调控。仿真结果表明，内径0.1mm的空心等离子体的特征中心频率约为0.6THz，内径0.2mm的空心等离子体的特征中心频率约为0.4THz。通过改变空心等离子体的空心半径可以实现特征频率的太赫兹波段的输出调控。此时，主要体现了空心等离子体的太赫兹波导特性，其太赫兹的能量来源是等离子体电子在双色激光场下的群体运动以及由等离子体波导所束缚的脉冲电压能量。环状等离子体可以近似作为波导处理(仅当等离子体频率本身与太赫兹波段相差较远时，如果频率接近可能发生共振效应)，调节空心等离子体阵列的空心半径可调控等效波导的截止频率，为通过双色场以及匀强电场提供带通滤波，实现窄线宽高强度的太赫兹波段输出。

本发明实施例提供的产生可调谐太赫兹波的装置，通过分束合束组件得到阵列式半径可变的基频空心光斑阵列，再将基频空心光斑阵列与倍频光斑在空间上合束，可进一步提高单个空心光斑的太赫兹产生效率，有效提高整体太赫兹波的能量，优于单个空心等离子体的太赫兹波辐射，也可以通过调节空心特性实现对太赫兹波的频率调整，实现在需求频段上的能量集中。然后通过太赫兹波生成组件使基频空心光斑阵列生成太赫兹波，既可以利用聚焦激光合束下的惰性气体的隧穿电离作用以及倍频光斑的驱动作用产生宽波段的太赫兹，也可以利用基频空心光斑阵列包裹的匀强电场的储能形成目标辐射频率的太赫兹波波段辐射，实现高强度窄线宽的太赫兹波输出。

下面对本发明实施例提供的产生可调谐太赫兹波的装置进行描述，下文描述的产生可调谐太赫兹波的装置与上文描述的产生可调谐太赫兹波的方法可相互对应参照。

本发明实施例公开了一种产生可调谐太赫兹波的方法，用于如上所述的产生可调谐太赫兹波的装置，参见图4，包括：

401、将目标激光输入至分束合束组件20进行分束处理和合束处理，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的聚焦激光合束。

其中，步骤401包括下述步骤S41～S46：

S41、将所述目标激光输入至倍频晶体201进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束。

S42、将所述共线激光光束输入至分束镜202进行分束，生成基频光束和倍频光束。

S43、将所述基频光束输入波前相位调制模块203进行相位调制，生成基频空心光斑阵列。

可选地，在生成基频空心光斑阵列之后，所述方法还包括：

将所述基频空心光斑阵列输入至光斑调节模块，以调节所述基频空心光斑阵列的光斑大小。

S44、将所述倍频光束输入望远镜组件进行处理，生成倍频光斑。

具体地，望远镜组件包括：依次排布的第一反射镜205、凹透镜206、凸透镜207和第二反射镜208。倍频光束依次经过第一反射镜205、凹透镜206、凸透镜207和第二反射镜208进行处理，生成倍频光斑。

S45、将所述基频空心光斑阵列和倍频光斑输入至合束镜207进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束。

S46、将所述激光合束输入至聚焦镜209进行聚焦处理，生成聚焦激光合束。

对于步骤S41～S46的具体解释，可以参见前述实施例，在此便不再赘述。

402、所述分束合束组件将所述聚焦激光合束射入太赫兹波生成组件的腔体内，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

根据前述实施例的产生可调谐太赫兹波的装置，腔体内充入有惰性气体，以使射入腔体的聚焦激光合束可以在惰性气体中发生隧穿电离作用，生成等离子体阵列。

腔体内布置有第一电极板和第二电极板，以产生匀强电场，为等离子体阵列形成前提供电磁储能。

步骤402中的基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波，包括：基频空心光斑阵列在所述惰性气体内隧穿电离形成等离子体阵列；等离子体阵列接收匀强电场的储能，并在所述倍频光斑的驱动下形成太赫兹波。

具体地，等离子体阵列在倍频光斑的驱动下形成太赫兹波辐射，同时等离子体阵列对瞬时匀强电场内的储能予以释放，实现相较一般基频光与倍频光的产生方法而言具有更强的太赫兹辐射。

本发明实施例提供的产生可调谐太赫兹波的方法，通过分束合束组件得到阵列式半径可变的基频空心光斑阵列，再将基频空心光斑阵列与倍频光斑在空间上合束，可进一步提高单个空心光斑的太赫兹产生效率，有效提高整体太赫兹波的能量，优于单个空心等离子体的太赫兹波产生方式，也可以通过调节空心特性实现对太赫兹波的频率调整，实现在需求频段上的能量集中。然后通过太赫兹波生成组件使基频空心光斑阵列既可以对惰性气体进行隧穿电离获得等离子体环境以及倍频光斑的驱动等离子体中的自由电子作用形成目标辐射频率的太赫兹波，也可以对匀强电场内的电磁场储能进行辐射，实现高强度窄线宽的太赫兹波输出。

本发明实施例基于等离子体阵列的波导特性，可以实现对特定波长的太赫兹脉冲传输的放大与输出。通过制备了中空等离子体阵列，可以对激光产生的太赫兹波予以优化，并有助于理解用于太赫兹波的等离子体中的复杂动力学过程。此外，利用本发明实施例的装置调制等离子体，有可能实现从宽带的气体等离子体太赫兹波得到特定点频的太赫兹波增强，以期获得具备输出能量高、单色性良好(窄频谱)、室温工作的太赫兹波。这将有利于太赫兹非线性效应、太赫兹通信、太赫兹雷达、太赫兹远程遥感和太赫兹生物等技术突破。本发明实施例是对光学、等离子体科学、电磁场与微波技术等多学科知识的交叉融合，具有重要的研究意义与使用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述装置包括：

分束合束组件，所述分束合束组件接收输入的目标激光进行分束处理和合束处理，生成包含倍频光斑和基频空心光斑阵列的聚焦激光合束，其中，基频空心光斑阵列的光斑半径可变；

太赫兹波生成组件，所述太赫兹波生成组件内包含充入惰性气体的腔体，所述腔体内布置有匀强电场，所述太赫兹波生成组件接收所述分束合束组件射入所述腔体内的聚焦激光合束，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述分束合束组件包括：

倍频晶体，接收输入的目标激光进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束；

分束镜，所述分束镜接收输入的所述共线激光光束进行分束，生成基频光束和倍频光束；

波前相位调制模块，所述波前相位调制模块接收输入的基频光束进行相位调制，生成基频空心光斑阵列；

望远镜组件，所述望远镜组件接收输入的倍频光束进行处理，生成倍频光斑；

合束镜，所述合束镜接收基频空心光斑阵列和倍频光斑进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束；

聚焦镜，所述聚焦镜接收所述激光合束进行聚焦处理，生成聚焦激光合束。

3.根据权利要求2所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述分束合束组件还包括：

用于调节基频空心光斑阵列的光斑大小的光斑调节模块，所述光斑调节模块设置于所述分束镜和所述波前相位调制模块之间。

4.根据权利要求2所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述望远镜组件包括：依次排布的第一反射镜、凹透镜、凸透镜和第二反射镜；

所述倍频光束依次经过第一反射镜、凹透镜、凸透镜和第二反射镜进行处理，生成倍频光斑。

5.根据权利要求2所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述分束镜为双色分束镜，所述合束镜为双色合束镜。

6.根据权利要求1所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述太赫兹波生成组件还包括：

脉冲电源，用于提供脉冲电压；

第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板布置于所述腔体内，且所述第一电极板和第二电极板均通过射频阻抗匹配与所述脉冲电源连接，以在所述腔体内形成所述匀强电场。

7.一种产生可调谐太赫兹波的方法，用于根据权利要求1-6任一项所述的产生可调谐太赫兹波的装置，其特征在于，所述方法包括：

将目标激光输入至分束合束组件进行分束处理和合束处理，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的聚焦激光合束；

所述分束合束组件将所述聚焦激光合束射入太赫兹波生成组件的腔体内，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波并从所述腔体辐射出所述太赫兹波。

8.根据权利要求7所述的产生可调谐太赫兹波的方法，其特征在于，将目标激光输入至分束合束组件进行分束处理和合束处理，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的聚焦激光合束，包括：

将所述目标激光输入至倍频晶体进行倍频辐射，生成基频光和倍频光的共线激光光束；

将所述共线激光光束输入至分束镜进行分束，生成基频光束和倍频光束；

将所述基频光束输入波前相位调制模块进行相位调制，生成基频空心光斑阵列；

将所述倍频光束输入望远镜组件进行处理，生成倍频光斑；

将所述基频空心光斑阵列和倍频光斑输入至合束镜进行合束，生成包含基频空心光斑阵列和倍频光斑的激光合束；

将所述激光合束输入至聚焦镜进行聚焦处理，生成聚焦激光合束。

9.根据权利要求7所述的产生可调谐太赫兹波的方法，其特征在于，所述基频空心光斑阵列电离惰性气体形成等离子体阵列，所述等离子体阵列在匀强电场和倍频光斑的作用下形成太赫兹波，包括：

所述基频空心光斑阵列在所述惰性气体内隧穿电离形成等离子体阵列；

所述等离子体阵列接收匀强电场的储能，并在所述倍频光斑的驱动下形成太赫兹波。

10.根据权利要求7所述的产生可调谐太赫兹波的方法，其特征在于，在生成基频空心光斑阵列之后，所述方法还包括：

将所述基频空心光斑阵列输入至光斑调节模块，以调节所述基频空心光斑阵列的光斑大小。

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