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0.19 mJ 强脉冲太赫兹源研究

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2018-02-28

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强脉冲太赫兹源已经在非线性电荷动力学研究、微纳材料的非线性相互作用、分子调控、高次谐波的产生等诸多领域得到应用,而单脉冲能量达到亚mJ甚至mJ量级的脉冲太赫兹源具有更为广泛的应用前景,对武器材料瞬态探测技术的发展、极端环境下武器材料的性质改变的研究、生物非热效应的研究等具有重要意义。我院开展的武器物理研究主要围绕着极端条件下材料性质的变化开展工作,而流体物理研究所长期从事材料的相变研究,为武器物理的研究提供支撑,利用强脉冲太赫兹波对材料性质,包括相变的控制进行研究,能直接为我院武器物理研究服务。

然而现有的技术,无论是光子学方法还是电子学方法,仍然难以获得单脉冲能量足够高且易于实现的太赫兹光源。在本项研究中,基于理论研究结果,系统研究了基于波面倾斜技术产生太赫兹辐射的实验系统优化条件;首次提出了柱面镜成像系统,有效提高了飞秒激光的注入能量,以及高能量激光泵浦下太赫兹波的转换效率;采用调制激光傅里叶变换极限脉宽和晶体制冷相结合的方法,利用800 nm高能飞秒激光泵浦铌酸锂晶体,获得了单脉冲能量达到0.19 mJ的脉冲太赫兹源,转换效率达到0.27%达到了国际同领域先进水平。

1  强脉冲太赫兹源优化机理研究取得较大进展

采用理论分析和实验研究相结合的研究方法,开展了基于波面倾斜技术、采用强脉冲飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生强脉冲太赫兹辐射的系统优化研究。前期理论研究表明,对铌酸锂晶体进行制冷和对泵浦飞秒激光的傅里叶变换极限脉宽进行调制是提高太赫兹波转换效率的两种最有效的方法。降低晶体温度能够有效降低晶体对产生的太赫兹波的吸收,而调制飞秒激光脉宽可以在保证晶体二阶非线效应的前提下降低色散的影响。通过实验研究发现,当晶体工作温度从295 K(室温)降到150 K时,太赫兹波的转换效率能够提高两倍以上;在高能量激光泵浦下,晶体最优化工作温度为150 K,如图1所示。通过截取飞秒激光光谱调制激光傅里叶极限脉宽并研究不同泵浦能量下太赫兹波的转换效率,如图2所示,在晶体工作温度150 K下,泵浦激光的最优化脉宽约为400 fs,与理论预测结果相符。

0.19 mJ 强脉冲太赫兹源研究

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2  0.19 mJ强脉冲太赫兹源的产生

基于倾斜脉冲前沿技术,利用流体物理研究所25 TW飞秒激光加载装置输出的中心波长800 nm、初始脉宽约33 fs的飞秒激光,完成了高能量激光泵浦下强脉冲太赫兹源实验平台的搭建,如图3所示,提出了柱面镜成像系统替代常规的透镜成像系统,使得在相同能量激光泵浦下极大地降低入射到晶体上的泵浦光能量密度,从而有效提高了飞秒激光的注入能量(泵浦激光单脉冲能量达到100 mJ),以及高能量激光泵浦下太赫兹波的转换效率,如图4所示,获得了单脉冲能量0.19 mJ的太赫兹脉冲辐射,转换效率达到0.27%

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