引用本文:
张佳荣,刘佳和,常超,等. 三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的仿真研究[J]. 光通信技术,2023,47(2):53-58.
张佳荣,刘佳和,常 超,贺广超
(昆明理工大学 信息工程与自动化学院,昆明650000)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:研发大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的太赫兹辐射源是太赫兹技术领域迫切需要解决的实际问题。基于瞬态光电流模型,采用数值仿真方法研究了三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的物理过程,分析了相位差、强度比、波长以及脉宽对太赫兹辐射的影响。仿真结果表明:二次谐波和三次谐波相对于基波的相位差、强度比、波长、脉宽等都对太赫兹电场有明显的影响。同时,只有电离率随着激光电场振荡变化的隧穿电离机制才能产生瞬态光电流,从而得到太赫兹辐射。
关键词:太赫兹波;飞秒激光;隧穿电离;液体等离子体
中图分类号:O441.4 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2023)02-0053-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2023.02.011
0 引言
太赫兹辐射是指频率为0.1~10 THz,波长为30~3000 μm的电磁辐射。随着超强超短脉冲的发展,高强度飞秒激光在太赫兹辐射的产生过程中起到重要的作用。基于飞秒激光的太赫兹辐射源有光电导天线、光学整流和激光诱导等离子体等[1-4]。其中,基于激光诱导等离子体的太赫兹脉冲源凭借高场强、宽频谱和低成本的优势被广泛应用。
1993年,HAMSTER H等人[5]第一次观察到飞秒激光诱导气体等离子体产生太赫兹辐射,并将这种脉冲辐射归因于激光脉冲带来的有质动力。随后,COOK D J等人[6]发现相比于使用单色激光脉冲[7],使用双色激光脉冲的激发效果更好,能得到峰值电场约为2 kV/cm的太赫兹脉冲。2020年,LIU S等人[8]通过实验发现三色锯齿波产生的太赫兹波电场比双色方案增强了1.8倍,实验中的第三次谐波由一个用于产生和频的SFG晶体产生。同年,MA D等人[9]通过实验研究发现,由近红外飞秒激光脉冲(波长为1 550 nm)及其二次谐波组成的双色激光电场诱导空气等离子体对产生的太赫兹波有增强作用,额外加入波长为800 nm的脉冲使太赫兹能量增加了22倍。文献[10-12]通过数值模拟和实验结果表明,相比于双色激光脉冲,三色激光脉冲能产生更强的太赫兹辐射;由于液体介质和气体介质均适用光电流模型,三色激光脉冲诱导液体同样能产生优于双色激光脉冲的辐射效果。本文基于瞬时光电流理论模型[13-14],仿真分析三色激光诱导液体等离子体产生太赫兹辐射的物理过程,并探索液体等离子体产生太赫兹辐射的最优激励条件。
3 结束语
本文基于瞬态光电流理论建立了三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹辐射的数值仿真模型,研究了激光参数对太赫兹辐射的影响。仿真结果表明:当二次谐波和三次谐波相对于基波的相位差分别为5π12、3π4,强度比分别为8∶1、7∶1时,能够得到的太赫兹辐射最强;增大三色激光脉冲的波长可以增强太赫兹辐射;由于液体介质存在有效路径长度,随着激光脉宽的增加,太赫兹电场也增加,约在300 fs时达到饱和;标准锯齿波可能会产生更强的太赫兹场。本文研究分析并仿真验证了太赫兹辐射的物理机制,并为液体太赫兹辐射源的优化提供了思路。