飞秒激光作用气体产生和探测太赫兹波研究

摘要

飞秒激光与气体相互作用产生和探测太赫兹波是气体光子学的重要研究方向，也是近年来太赫兹科学领域的研究热点。本文紧密围绕线偏双色场中电离气体产生太赫兹波、气体偏置相干探测法探测太赫兹波、椭偏双色场电离气体产生太赫兹波的物理过程，以实验研究为基础澄清了颇具争议的太赫兹产生机理，解决了气体偏置相干探测法应用中遇到的问题，提出了偏振分辨太赫兹探测方法。主要内容由三部分组成：
　　首先是对线偏双色场中太赫兹辐射机理的研究。提出了基于等离子反射模型原位测量气体电离率的方法。通过巧妙的构造等离子体密度梯度，借助掠入射时菲涅耳反射的非线性实现对等离子体密度的原位测量，研究了双色场中太赫兹辐射与气体电离的关系；较系统的实验研究了双色场中三次谐波的产生，通过控制光强从多光子电离区到隧穿电离区对太赫兹辐射和三次谐波进行连续的同步测量，发现三次谐波最优相位随着激光光强出现跳变，而太赫兹最优相位无明显变化，澄清了实验报道的分歧；利用具备阿秒分辨的高次谐波产生时刻对太赫兹最优相位进行了标定，得到的太赫兹最优相位与通过气体电离和三次谐波两种方法得到的一致。分析给出了再散射对太赫兹产生所起的重要作用，在统一的图像下解释了太赫兹辐射和高次谐波辐射的产生。
　　其次是对气体偏置相干探测法的研究。分析了气体偏置探测法的探测机理，指出在Gouy相移影响下气体偏置探测法是对太赫兹相位的采样，给出了Gouy相移影响下TFISH的表达式；针对近期实验中报道的气体偏置相干探测法对太赫兹偏振响应不符合对称性的问题，提出了等离子体瞬态极化模型，实验结果显示等离子体瞬态极化影响太赫兹偏振测量准确性的最主要因素，分析了气体强电离下等离子体极化对测量结果准确性的破坏作用；提出了偏振分辨的气体偏置探测法。利用锁相放大器的功能特点，将太赫兹偏振信息调制在最终输出信号的相位上，通过单次扫描测量即可得到任意偏振的太赫兹波。该方法能够消除光路调整的重复性偏差，抑制激光能量抖动带来的误差，获得高的角分辨探测精度。
　　最后是对椭偏双色场中太赫兹辐射的研究。利用偏振分辨的太赫兹探测技术，研究了气体池及喷嘴条件下椭偏双色场产生太赫兹辐射的基本规律；将线偏双色场与椭偏双色场联系了起来，实验结果显示对于椭偏双色场的情况，库仑势的影响可以忽略，光电流则很好的与实验吻合。基于此结论，开展了对原子隧穿电离延迟的初步研究。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 太赫兹技术简介

1.2 双色场中单原子太赫兹辐射的数值模拟

1.3 本文的主要内容

第二章 双色场电离气体产生太赫兹辐射机理的研究

2.1 双色场电离气体产生太赫兹辐射

2.2 利用等离子体反射原位探测双色场中气体的电离

2.3 双色场电离气体产生三次谐波

2.4 高次谐波与太赫兹辐射的同步测量

2.5 小 结

第三章 太赫兹气体偏置相干探测法研究

3.1 太赫兹气体偏置相干探测法

3.2 等离子体瞬时极化对太赫兹气体偏置相干探测的影响

3.3 偏振分辨的气体偏置相干探测法

3.4 偏振分辨气体偏置相干探测法的应用

3.5 小 结

第四章 椭偏双色场作用下气体的太赫兹辐射

4.1 椭偏双色场中太赫兹辐射的数值模拟

4.2 椭偏双色场中太赫兹辐射实验研究

4.3 小 结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 通过注入电流方式产生相干控制的宽带太赫兹辐射

A.1 注入电流产生过程的理论分析

A.2 利用注入电流产生太赫兹辐射的实验研究

A.3 小 结

参考文献