激光拉絲形狀對太赫茲能量空間分布影響的研究

徐博偉

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

太赫茲技術因其具有較低的電離能、較高的穿透性、大信息承載能力以及更好的光譜分辨能力等特點[1-2]，而被廣泛應用于醫學生物檢測[3-4]、太赫茲通信[5-6]、太赫茲波導[7-8]等領域。目前，產生太赫茲的常用方法主要有光整流法[9-10]、光電導天線法[11-12]和空氣拉絲法[13-14]等。其中，空氣拉絲法因其具有無介質損傷閾值要求、產生的太赫茲波頻譜極寬、更易通過改變激光參數和拉絲環境來實現對太赫茲波的調控等優點，而成為研究的熱點。目前，以激光拉絲產生太赫茲波的研究主要還是圍繞提高產生能量、擴展頻譜等展開，而對太赫茲的能量分布還處于前期摸索階段。

空氣拉絲產生的太赫茲波通常呈現圓錐形輻射，因此其能量的空間分布呈圓環狀。科研人員Zharova等[15]和Suvorov等[16]提出，太赫茲能量整體呈圓環狀分布，但是與泵浦光偏振垂直方向上的能量會略強一點，他們認為光偏振引起的熱壓會對太赫茲能量的空間分布產生重要的影響。圍繞這一觀點，科研人員在此后也進行了許多的研究，得到了一些十分有意義的結果[15-16]，但都只是針對熱壓對單色場條件下太赫茲能量空間分布的影響，即沒有進一步探討是否存在其他影響太赫茲能量空間分布的因素，也沒有在能量空間分布的基礎上進一步做其他相關方面的研究。

You等[17]在研究中發現，在雙色場拉絲條件下，遠場太赫茲能量在空間整體基本呈對稱的圓環狀分布。雖然不同頻率分量的太赫茲在同一探測平面上能量空間分布的圓環大小不同（高頻太赫茲波能量分布圓環直徑小，低頻太赫茲波能量分布圓環直徑大），但是整體始終呈現為對稱的圓環狀分布。而如果在此條件下改變泵浦光的偏振，太赫茲能量的空間分布基本不產生變化。

在此基礎上，本文提出一種觀點，即除了泵浦光偏振之外，激光拉絲形狀也是影響太赫茲能量空間分布的重要因素之一。為此，在雙色場條件下，使用柱面透鏡代替普通的球面透鏡聚焦激光，產生了一個片狀的激光拉絲體（plasma sheet）。通過實驗發現，片狀的拉絲體，其本身會使得超過70%的太赫茲能量被集中至垂直于片狀拉絲體的方向上。此外，如果進一步改變泵浦光的偏振，垂直于片狀拉絲方向上的太赫茲能量還會產生一個大約20%左右的明顯偏移。

1 實驗原理

實驗在雙色場條件下進行，為改變普通拉絲的形狀，使用柱面透鏡代替普通的球面透鏡聚焦激光，從而產生了一個片狀的拉絲體。結合泵浦光偏振方向的改變，研究拉絲的形狀對太赫茲能量空間分布的影響。

實驗采用的激光器為相干（Coherent）公司商業化鈦藍寶石飛秒激光，其主要參數指標為：水平線性偏振；中心波長800 nm；半高全寬10 nm；脈寬130 fs；單脈沖能量8 mJ；重復頻率1 kHz；初始出射光斑直徑約12 mm。實驗裝置如圖1所示，泵浦激光經柱面透鏡（CL）會聚后，在空氣中形成片狀等離子體（Plasma Sheet），在透鏡焦點之前放入倍頻晶體BBO，用以產生400 nm激光，從而形成雙色場拉絲。片狀拉絲產生的太赫茲波被兩面拋物面鏡PM1、PM2收集后會聚并進入高靈敏度的熱釋電探測器Bolometer（PM1、PM2之間的銀鏡AgM作用僅僅是改變太赫茲傳播方向，便于實驗裝置搭建），Bolometer探測口上覆蓋高阻硅片（Si）用于隔絕激光入射。柱面透鏡前放置半波片（λ/2）用以改變800 nm泵浦光的偏振方向。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Experiment setup

在AgM與PM1之間放置一塊四分之三象限太赫茲波擋板，如圖2所示，擋板由厚鋁箔片制成并被貼在旋轉的可調鏡架上，用以探測該平面位置處太赫茲波能量的空間分布。實驗中，以泵浦光偏振為水平方向時為基準，找到產生的太赫茲波的能量中心點（即太赫茲能量最強的位置），使該中心點與四分之三象限太赫茲波擋板的中心重合。此時，遮擋板會遮擋住空間中四分之三的太赫茲波，只讓余下的、需要探測的四分之一太赫茲波通過并最終進入到探測器Bolometer中。采集所得信號由Bolometer輸出到SR830鎖相放大器（LIA）中，同時光學斬波器Chopper給鎖相放大器提供外參考信號，信號采集由編寫的LabVIEW控制軟件完成。為提高信號信噪比，每一組信號采集80個數據然后取平均。通過旋轉太赫茲波擋板，結合Bolometer作非相干探測，可以分別采集得到該空間平面處太赫茲波上、下、左、右四部分的能量強度，而這四部分太赫茲波能量疊加組合即可理解為在該空間平面處完整的太赫茲波能量。將探測所得四個象限的太赫茲能量強度連線，即可得到太赫茲能量空間分布規律。

圖2 四分之三象限太赫茲波擋板示意圖Fig. 2 Three-quarter quadrant THz wave baffle.

2 實驗結果及分析

首先，將圖1所示實驗裝置中的柱面透鏡（CL）替換成普通的球面透鏡，用以產生普通的拉絲，并激發產生太赫茲波；然后，用圖2所示的“四分之三象限太赫茲波擋板”分別探測此時上、下、左、右四個象限內的太赫茲能量，以供后續實驗作對比。采集所得四個太赫茲能量空間分布如圖3所示，圖中實線為泵浦光為水平偏振時太赫茲能量分布情況，虛線為泵浦光為豎直偏振時太赫茲能量分布情況。

圖3 用球面透鏡拉絲時太赫茲能量的空間分布Fig. 3 The spatial distribution of terahertz energy when using a spherical lens to generate terahertz

由圖3可知，經球面透鏡拉絲產生的太赫茲能量在水平和豎直兩個方向上的分布大致相同，且完全對稱。這和You等指出的雙色場拉絲產生的太赫茲能量空間分布呈完全對稱的圓環狀[17]相符。此外，由圖3還可以看出，無論泵浦光偏振為水平偏振（即圖3中實線），還是泵浦光偏振為豎直偏振（即圖3中虛線），太赫茲的能量空間分布并不隨著偏振方向的改變而產生明顯的變化。這說明，在雙色場條件下用球面透鏡拉絲產生的太赫茲波，其能量的空間分布并不受泵浦光偏振方向的影響。

將球面透鏡換成柱面透鏡（CL），本文以經柱面透鏡會聚后產生的片狀拉絲方向為水平方向進行研究。在此情況下，用不同偏振方向的泵浦光拉絲產生太赫茲波，并用圖2所示的四分之三象限太赫茲波擋板分別探測上、下、左、右四個象限內的太赫茲能量。所得太赫茲能量空間分布如圖4所示，圖中實線為泵浦光為水平偏振時太赫茲能量分布情況，虛線為泵浦光為豎直偏振時太赫茲能量分布情況。

由圖4可知：無論泵浦光偏振狀態如何，片狀拉絲為水平方向時，產生的太赫茲能量約有70%以上集中在豎直方向上；當泵浦光偏振為水平偏振時（即圖4中實線），太赫茲能量的空間分布無論是上、下象限還是左、右象限都基本呈現對稱分布；當泵浦光偏振為豎直偏振時（即圖4中虛線），雖然太赫茲能量的空間分布左、右象限還是大致呈現對稱分布，但是其上、下象限的能量分布出現了約20%的向下偏移，呈現出了十分明顯的非對稱分布現象。

圖4 片狀拉絲為水平方向時太赫茲能量的空間分布Fig. 4 The spatial distribution of terahertz energy with horizontal plasma sheet

由圖3可知，雙色場條件下由球面透鏡拉絲產生的太赫茲波，其能量的空間分布在四個象限內都呈對稱狀，且不受泵浦光偏振的影響。而圖4顯示，使用柱面透鏡改變拉絲形狀后，不僅使太赫茲波能量的空間分布規律發生了變化，而且改變偏振方向后還會對其能量的空間分布產生影響。

產生上述現象的原因是，經柱面透鏡產生的片狀等離子體拉絲可以等效理解為是許多并排在一起的細絲，這些并排的等離子體拉絲均在向前輻射錐狀太赫茲波。因此，在空間中傳播時，這些太赫茲波就會發生相干疊加作用，從而影響到太赫茲能量的空間分布。在與片狀拉絲方向垂直的方向上，太赫茲能量相干相長；而在與片狀拉絲方向平行的方向上，太赫茲能量相干相消。因此使用柱面透鏡會聚激光拉絲產生太赫茲時，產生的太赫茲的能量空間分布不是一個均勻的對稱分布，有約70%以上能量集中在與片狀拉絲方向垂直的方向上。

另一方面，改變偏振方向會使太赫茲能量分布產生偏移，其原因同樣是由片狀拉絲等效理解為多絲疊加后的相干作用引起。球面透鏡雙色場拉絲產生的太赫茲能量空間分布原本就呈完全對稱狀，因此改變泵浦光偏振方向，對各方向上太赫茲能量空間分布的影響也一致，等效于沒有影響。而經柱面透鏡會聚產生的片狀等離子體，由于相干疊加作用，本身使得太赫茲能量空間分布集中在了與片狀拉絲方向垂直的方向上，在此基礎上，改變泵浦光偏振方向，不同方向上的太赫茲能量也會產生不同的變化，從而表現出了能量分布的偏移。

3 結 論

本文使用柱面透鏡代替普通的球面透鏡聚焦激光，產生了一個片狀的等離子拉絲體。實驗結果表明，激光拉絲形狀本身不僅會直接影響太赫茲能量的空間分布，同時也會影響到泵浦光偏振改變對太赫茲能量空間分布的作用。驗證了激光拉絲形狀也是影響太赫茲能量空間分布的重要因素之一的觀點，可為進一步解釋太赫茲能量空間分布的機理提供參考。