飞秒超强激光驱动太赫兹辐射特性的实验研究

强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键,其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景.超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径.本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果,研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响,并通过监测激光背向散射光谱,定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性.实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况.测量结果表明,实验产生了脉冲能量达458μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射,为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.     

整形超短激光脉冲与硒化镓晶体光整流效应的可调谐宽带太赫兹波产生

从非线性光学基本原理出发研究了整形超短激光脉冲与硒化镓晶体光整流效应产生的可调谐宽带太赫兹辐射,并采用数值计算对上述过程进行了仿真研究,探索了整形激光脉冲参数对太赫兹辐射的影响。研究发现,利用4F整形系统调节激光频谱分量获得的整形超短激光脉冲与硒化镓晶体的光整流效应可以产生频谱可调的宽带太赫兹辐射,并且可以使太赫兹脉冲的中心频率由高频部分向低频部分调制,同时带宽也会发生一定的变化。     

半绝缘GaAs光电导开关产生太赫兹波电场屏蔽效应的二维Monte Carlo模拟

利用Ensemble-Monte Carlo模拟方法，对不同实验条件下半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关作为偶极辐射天线在辐射太赫兹电磁波(太赫兹波)中体内电场的分布以及空间电荷屏蔽效应对太赫兹波辐射的影响进行了模拟.载流子的时域空间电场分布表明:用高能量激光脉冲触发低压偏置的GaAs开关，空间电荷屏蔽是限制太赫兹波辐射功率的一个重要因素，并且空间电荷屏蔽能够引起太赫兹波呈现双极性.当高能量飞秒激光脉冲以全电极间隙触发大孔径光电导天线时，空间电荷电场屏蔽效应对太赫兹波的影响不大. 关键词： 光电导开关 Ensemble-Monte Carlo模拟 辐射场屏蔽 空间电荷屏蔽     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

多脉冲激光增强太赫兹辐射的PIC模拟

 模拟了强激光和稀薄非均匀等离子体相互作用在界面辐射超强太赫兹波的物理过程,提出了利用多脉冲激光增强太赫兹辐射的方案,详细研究了多脉冲激光的脉冲个数（取１～４个）、脉冲间距等因素对太赫兹辐射功率和频率的影响。当入射激光包含4个脉冲时,辐射最强,此时的辐射功率是相同条件下单脉冲的6倍,可达到7.16 MW,辐射的太赫兹波的脉宽约为330 fs,总能量约为1 μJ。研究结果表明:多脉冲激光可以显著增强太赫兹辐射,且随着脉冲个数的增加,激起的电子静电波振幅变大,辐射功率也随之变大,直到尾流场饱和;当脉冲间距等于入射激光脉宽时辐射最强。     

激光参数影响太赫兹辐射的数值模拟

 利用2维PIC程序模拟了聚焦激光脉冲垂直入射非均匀等离子体,在界面激发超强太赫兹辐射的物理过程,研究了激光强度、脉宽和焦斑半径对太赫兹辐射功率和频率的影响,并和模式转换理论作了对比。结果表明:激光强度是影响太赫兹辐射功率的主要因素;当脉宽在等离子体波长附近时,激起的静电波振幅最大,此时对应的太赫兹辐射最强;同时存在一个最优的焦斑半径,使得辐射功率最大。     

周期极化非线性晶体中太赫兹波辐射研究

 从理论上详细研究了飞秒激光在周期极化非线性晶体中由光整流效应产生的太赫兹（THz）波辐射。利用天线辐射原理和光栅衍射理论,着重研究THz波辐射的频域场和时域场的分布。讨论和分析了THz波辐射的中心频率、频谱宽度和电场随辐射角的变化。研究表明,THz波的带宽反比于晶体的长度或光栅数,电场随辐射角呈准谐波变化。     

光泵重水气体产生THz激光的半经典理论分析

从半经典密度矩阵理论出发，采用三能级系统模型对光泵重水气体产生太赫兹激光进行了理论分析，求解得到了脉冲光泵重水气体分子产生太赫兹激光过程中激光信号增益系数G_s和抽运光信号被吸收系数G_p的表达式，通过迭代法对太赫兹激光信号的输出光强进行了数值计算，理论计算得到的频谱特性曲线完全符合受激Raman辐射的频谱特性，即频谱宽度较大、输出光强随抽运失谐量的改变而变化明显等特征.在脉冲激光抽运受激Raman辐射过程中，工作介质D₂O气体分子的偶极矩由于受到抽运脉冲光场的扰动发生变化，在频谱特性曲线中表现为受激辐射THz信号的谱线发生了分裂.理论计算结果与已报道的实验结果能较好地相符.     

激光等离子体光丝中太赫兹频谱的调控

研究了双色激光场激发空气成丝产生太赫兹辐射频谱的变化规律.实验观察到随驱动光功率和光丝长度增加,太赫兹光谱主要发生红移的现象.分析表明,由于等离子体密度的增加,太赫兹辐射的趋肤深度减小,等离子体吸收主导了红移的发生.在光丝足够短的条件下,趋肤深度远大于光丝长度,从而产生等离子体振荡主导的太赫兹辐射光谱蓝移.本研究为超快宽带太赫兹辐射的频谱调控提供了新思路.     

ZnTe晶体中光学整流产生的THz辐射及其电光探测研究

借助抽运-探测技术研究了ZnTe晶体中光学整流产生的太赫兹(THz)辐射，利用ZnTe晶体的线性电光效应探测THz辐射场分布，观察到了较窄(约为0.2 ps)的THz场分布及相应较宽(响应超过4 THz，半峰宽约为2.4 THz)的THz频谱，并运用琼斯矩阵对实验结果进行了理论拟合. 研究了飞秒激光脉冲波长(750—850 nm)、脉冲宽度(56—225 fs)和晶体旋转与THz辐射产生的关系. 同时改变探测光偏振方向进行偏振调制，并从理论上分析了偏振调制对THz辐射探测的影响. 关键词： THz辐射 光学整流 电光探测 ZnTe     

基于共线型双等离子体的双色场辐射太赫兹波频谱调制

提出了一种通过共线型双等离子体的简单方法实现双色场作用下辐射太赫兹波的频谱调制。利用修正的光电流模型,模拟了共线型双等离子体在双色场条件下辐射太赫兹波的频谱分布。通过调节体系的参数,研究了两等离子体间距及激光光强对太赫兹波频谱调制的影响。结果表明,太赫兹频谱分布与两等离子体间距及双色激光强度有关。等离子体间距影响太赫兹波频谱的峰值个数和频移;激光光强虽会影响单个等离子体辐射太赫兹波的峰值频率,但是对于调制的频谱而言只会改变峰值的幅值。     

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。     

超宽带双脉冲辐射天线

研究了一种高功率超宽带双脉冲辐射天线,其设计思想为:辐射天线辐射两路不同脉宽的超宽谱电磁脉冲,且两路脉冲在时间上有一定延时,从而达到拓宽辐射场频谱宽度的目的。设计了一种采用三馈源的半抛物反射面超宽带天线,并对其进行了数值模拟与实验研究。采用短时傅里叶变换对辐射组合脉冲进行了联合时频分析,结果表明该天线能有效辐射双路不同脉宽的超宽谱脉冲,双脉冲辐射场的频谱宽度比单脉冲辐射场有了明显的拓宽,验证了采用双脉冲辐射是拓宽辐射场频谱的有效方法。     

非匹配负载对宽带脉冲产生器谐振特性的影响

 宽带脉冲产生器的谐振特性决定了产生电磁脉冲的频谱,分析了带耦合器的同轴1/4波长谐振器在负载为非完全匹配天线时,天线反射对谐振特性的影响。通过建立级联二端口微波网络分析模型,将非匹配负载的反射系数计入等效耦合器反射系数中,得到了输出脉冲及辐射场频谱与负载反射系数的关系式。数值模拟了包括谐振器、耦合器和天线在内的整个宽带脉冲辐射系统,得到的辐射场频谱与理论预期相符。由于负载反射的影响,在中心频率两侧产生了两个副峰,在高功率实验中也观察到了该现象。     

影响单电子非线性汤姆孙散射因素的研究

应用电子汤姆孙散射的经典理论，通过理论分析和计算机模拟，研究了超短超强激光脉冲作用下电子产生的辐射脉冲的性质.计算表明，在这种情况下，电子的辐射通常以阿秒脉冲列的形式出现.讨论了不同激光场参数（包括激光强度、脉宽、初相位和偏振态）、不同电子初始状态（初始速度和位置）对辐射脉冲的时间和空间特性的影响.通常在相对论光强条件下，激光强度越大，电子辐射越强，脉宽越窄，中心频率越大，并且方向性越好；电子在线偏振激光中产生的辐射效率，比在同样强度下圆偏振激光中产生的效率更高；无论入射光是线偏振光，还是圆偏振光,辐射场呈现较复杂的偏振态, 并且它与辐射方向有关.当电子具有一定的初始能量时，通常辐射场的振幅随电子初始能量的增大而增大.不管电子的初始能量以及运动方向如何，做相对论运动的电子产生的辐射趋向于出现在靠近电子运动方向的角度区域.     

初始相位对周期量级激光脉冲Thomson散射特性的影响

 用电子Thomson散射的经典理论,研究了周期量级激光脉冲作用下电子Thomson散射的特性,讨论了不同激光强度下,激光脉冲的初始相位对电子辐射的空间分布以及特定方向上频谱分布特性的影响。计算表明:对弱激光脉冲,电子辐射的空间分布类似于偶极天线的对称双叶结构,初始相位对电子的辐射几乎没有影响;而对强激光脉冲,电子辐射的空间分布出现了三叶结构,初始相位对电子的辐射影响非常显著。     

基于光放大的长脉冲抽运太赫兹激光

为了获得较窄增益带宽、较大光强的太赫兹辐射,尝试了利用TEA CO₂激光器对6 W可调谐连续波CO₂种子激光实行双程光放大实验,以期望获得长脉冲、高峰值功率的抽运光.通过实验,获得了大约30倍的放大系数,放大光输出功率随种子光注入功率的增加而增加,其中10 P （20）支线表现更加突出,并且被放大的激光支线半峰全宽在14 μs左右.基于这种长脉冲抽运源,建立了一种产生脉冲太赫兹的动力学模型,给出了产生太赫兹辐射的饱和抽运光强表达式,确定了抽运光的光强范围.另外, 关键词： 激光物理 长脉冲 动力学模型 太赫兹激光     

激光能量对气体等离子体产生太赫兹波的影响

双色激光脉冲激励气体等离子体产生太赫兹波是得到高强度宽频带太赫兹波的重要方法,本文利用光电流模型研究了该方法中激光能量对产生太赫兹波的影响。理论计算表明,太赫兹波随激光能量的增大而增强,而太赫兹波的频谱结构不受激光能量的影响。分析了双色激光能量影响太赫兹波强度的原因,并利用自由电子浓度和电子电流密度诠释了该影响的内在物理机制。该研究为提高太赫兹辐射强度提供了一种有效的途径。     

周期极化铌酸锂中光整流THz波辐射

从理论上详细研究飞秒激光在周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中由光整流效应产生的THz波辐射.着重研究THz波辐射场的频域场、时域场和频谱宽度的分布.并详细讨论辐射场脉冲持续时间、幅度、频谱宽度随晶体长度和辐射角的变化. 关键词： PPLN 光整流 THz波     

激光波长对双色激光等离子体产生太赫兹波的影响

基于瞬态光电流模型研究了激光波长对双色激光等离子体产生太赫兹波的影响.通过理论计算证明:太赫兹信号随激光波长的增大而增强,其变化趋势不会因为双色激光强度、脉宽、相位差、强度比的变化而改变;太赫兹波的频谱不会因为激光波长的改变发生变化.分析了双色激光波长影响太赫兹辐射强度的原因,并利用自由电子密度和漂移电流密度阐明了该影响的内在物理机制.