本文设计了一种在空气等离子体中产生太赫兹脉冲（<1ps）的方案。证明了基于35fs，800nm超快激光放大器的太赫兹脉冲生成的可行性。

首先使用800nm激光脉冲（1kHz，每个脉冲约300μJ）聚焦到环境空气中，产生空气等离子体。之后把BBO晶体插入到焦点之前，将800nm入射激光转换为400nm的二次谐波（SHG），使其在焦点处充当AC偏压，将空气等离子体极化。在该过程中，会产生瞬态电流，从而产生了强太赫兹场。

太赫兹脉冲的检测利用ZnTe晶体的电光采样。在ZnTe晶体中混合太赫兹脉冲和800nm探测激光，用从平衡检测器获得的（New Focus TM Nirvana）的信号（强度差）来恢复太赫兹脉冲的时域轨迹。将待测材料放入光路中可以直接测量材料的吸收光谱。

图 1

光路设计如图1所示。光源输出采用Spectra-Physics Spitfire® Pro XP 超快放大器。首先，将输出激光分束，用于实验的光束通过起偏器使其水平偏振，并用可变中性密度滤光器将脉冲能量减小到约10μJ（图中未示出）。之后，如图2（a）所示，用一组反射镜M1和M2，使激光光束平行于工作台且和面包板的侧面对齐。配合光阑（I1），将光束传播路径中由其他光学器件引起的像差最小化。随后，分光器（BS1）以45°角安装在通过其中心的入射光束上，反射3％的能量用作探测光束。

图 2（a）

如图2（b）所示，泵浦光束（通过BS1传输的脉冲序列）被M3偏转90°，使其平行于面包板的侧面传播。透镜（L1）安装在平移台（TS1）上，其焦距为125mm。在透镜（L1）之后，将100μm厚的I型BBO晶体安装在旋转台（R1）中，放置在线性台（TS2）上。该组件在焦点前约25mm处，与光束垂直。同时将BBO晶体旋转到最佳角度，并调节R1（35°）使其具有与入射实验光束相同的偏振态，以便产生足量的400nm激光。接下来旋转中性密度滤光器，调整功率，使得仅在焦点处观察到空气等离子体。将移除了后板的光束收集器（BD1）安装在TS2上，以防止强白光到达眼睛。将抛物镜（PB1,50mm EFL）放置在距焦点约50mm处，使得光束偏转90°并沿着面包板的侧面传播。调整TS1，准直抛物镜后的光束。

图 2（b）

如图2（c）所示，探测光束经M4到达由M5和M6组成的后向反射器。该后向反射器安装在电动延迟平台（MS1）上，用于控制电光采样。每面镜子，从M4到M7，都将探测光束精确偏转90°。将激光观察卡插入到M7之后并调整MS1的探测光束时，不应在观察卡上观察到探测光束的位移。因此首先需要调整M4，以便在MS1平移时探测光束不会在M5上发生位移。随后，调节反射镜M5和M6，使得当MS1平移时探测光束保持在M7的中心。泵浦功率增加后产生的太赫兹波束与泵浦光束一致。

图 2（c）

如图2（d）所示，将硅晶片（400μm厚，双侧抛光）安装在滤光片夹具（S）上，用作组合镜。能滤除和转储产生的400nm，800nm和强白光。探测光从BS1传播到S的距离需要与泵浦光从BS1到S的距离相等。调整翻转支架S，使泵浦光束通过抛物镜PB2的中心并偏转90°。在PB2和S之间插入光阑（I2），同样使泵浦光束通过其中心。旋转台R2用于精确定位，安装在R2上的ZnTe晶体垂直于泵浦光束并位于PB2的焦点处。泵浦光束通过并聚焦在晶体的中心（可能需要衰减泵浦光束功率以防止对晶体造成损坏）。镜子M7用于调整探测光束穿过I2，随后调节S使得探测光束通过ZnTe晶体的中心。

图 2（d）

如图2（e）所示，在R2之后插入安装在延迟平台（TS4）上的透镜（L2），其焦距为25mm。准直探测光束通过四分之一波片（QW）和偏振器（WP）发射，产生具有垂直偏振的两个光束。旋转QW使得离开WP的两个光束具有相同的光强。两束光在经过反射镜M8和M9后，分别进入平衡探测器（D）的两个端口。同轴电缆从平衡探测器的差分输出连接到示波器。（此时两个光束的强度相等，平衡探测器应该无响应。如果不是，则旋转QW）。

图 2（e）

将泵浦激光能量增加到约150μJ将产生空气等离子体。此时，调整MS1延迟，将看到信号（强度差，图3）在正负之间振荡。这是由空气等离子体产生的太赫兹引起的。BBO晶体和空气等离子体之间的距离决定了SHG和基波之间的相位关系。因此，一旦观察到THz信号，就可以通过调整MS1、TS2以及R1来优化信号。为了探测光束和太赫兹光束之间更好的重叠，调整S也可以改善信号。

图3给出了最终生成的THz信号，在时域中我们可以观察到几个特征：首先，主振荡只有一个周期，跨度约为1ps。它包含大部分THz能量，每个脉冲约0.1-0.3nJ；其次，主振荡后有较小的振荡，这表明在空气中传播时某些东西会吸收太赫兹；第三，如图3（a）所示，在11.5ps附近存在第二个较小的峰值。这实际上是由于硅晶片内THz的第二次反射造成的。由于它的厚度约为0.4毫米，因此会产生在图中观察到的延迟。

图 3

如图（4）所示，对时域轨迹进行傅里叶变换，可以得到太赫兹辐射的频谱。光谱范围从0到3THz。将样品放入THz脉冲的光束路径中，我们实际上可以测量THz区域中不同分子的光谱。THz场相对于输入能量的幅度如图4（c）所示。通过外推，曲线将与正x轴相交，这意味着在生成THz之前需要一定量的输入能量来克服某个阈值。该阈值是从核中撕裂电子所需的能量，并且证实了等离子体的产生对于THz产生是必需的。另一方面，在高脉冲能量下，等离子体激光束的散焦变得很重要，并限制了激光脉冲在焦点处的峰值强度，降低效率。从上文的设计可以看出，在效率和THz强度方面，大约250μJ的输入能量是最佳的。

图 4

来自

https://www.newport.com.cn/medias/sys_master/images/images/h82/h7f/8797287481374/Terahertz-Spectrometer-App-Note-44.pdf