阅读说明：本技术 一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器 (Terahertz laser based on high-pressure gas expansion cooling excitation ) 是由 黄海涛 欧阳征标 黄粤龙 林密 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器,包括：储藏容器,用于在恒温恒压状态下存储工作物质,所述储藏容器的输出口连接输送管；膨胀腔,通过所述输送管与所述储藏容器相连,所述工作物质经输送管输送到膨胀腔中进行膨胀,产生太赫兹辐射；谐振腔,所述膨胀腔的两端壁上均设有透明窗,并在两个所述透明窗外分别设有共轴的高反射镜和部分反射镜,形成谐振腔；所述太赫兹辐射经所述谐振腔的协同形成太赫兹激光。本发明的太赫兹激光器具有高效率、成本低和体积小的特点。(The invention discloses a terahertz laser based on high-pressure gas expansion cooling excitation, which comprises: the storage container is used for storing working substances in a constant-temperature and constant-pressure state, and an output port of the storage container is connected with the conveying pipe; the expansion cavity is connected with the storage container through the conveying pipe, and the working substance is conveyed into the expansion cavity through the conveying pipe to be expanded so as to generate terahertz radiation; transparent windows are arranged on two end walls of the expansion cavity, and coaxial high reflectors and partial reflectors are arranged outside the two transparent windows respectively to form a resonant cavity; and the terahertz radiation is coordinated by the resonant cavity to form terahertz laser. The terahertz laser has the characteristics of high efficiency, low cost and small volume.)

一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器。

背景技术

太赫兹技术在通信、传感、遥感、安保、毒品检测、医疗、雷达等方面有广泛的应用，近年来受到了广泛重视。所有的太赫兹技术和应用都离不开太赫兹源。

目前有基于电子技术频率上转换、真空技术自由电子器件、半导体技术量子级联器件和光学下转换技术的太赫兹源，都存在效率极低、成本高的问题，大部分源的体积也很大，因而效率高、成本低、体积小的太赫兹源成为目前急需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器，可提高太赫兹激光的输出效率，且具有体积小成本低的特点。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器，包括：

储藏容器和工作物质，储藏容器用于在恒温恒压状态下存储工作物质，所述储藏容器的输出口连接输送管；

膨胀腔，通过所述输送管与所述储藏容器相连，所述工作物质经输送管输送到膨胀腔中进行膨胀，产生太赫兹辐射；

谐振腔，所述膨胀腔的两端壁上分别设有第一透明窗和第二透明窗，并在第一透明窗和第二透明窗外分别设有共轴的高反射镜和部分反射镜，形成谐振腔；所述太赫兹辐射经所述谐振腔的协同形成太赫兹激光。

进一步地，所述储藏容器连接有恒温恒压控制系统以调节所述储藏容器的恒定温度和压强，实现调节太赫兹激光器的输出频率。

进一步地，通过供热源为所述储藏容器供热源提供热量，所述供热源产生于可燃烧气体、可燃烧液体、可燃烧固体或外置加热器中的一种。

进一步地，所述供热源的温度为0.1摄氏度至600摄氏度。

进一步地，所述输送管上装设有减压阀和节流阀，所述减压阀、节流阀连接有功率频率控制系统，通过所述功率频率控制系统控制所述节流阀和减压阀的流量和压力，实现调节太赫兹激光的输出功率。

进一步地，所述功率频率控制系统与所述高反射镜、所述部分反射镜相连，以控制所述高反射镜和所述部分反射镜之间的距离，实现调节太赫兹激光的输出频率；位于所述膨胀腔端壁的第一透明窗和高反射镜或用所述高反射镜代替，并设置于所述膨胀腔端壁的第一透明窗位置；位于所述膨胀腔端壁的第二透明窗与部分反射镜或用部分反射镜代替，并设置于所述膨胀腔端壁的第二透明窗位置。

进一步地，所述高反射镜和部分反射镜为金属或介质反射镜，所述高反射镜对太赫兹波的反射率为90％～100％，其透射率为0；所述部分反射镜对太赫兹波对反射率为90％～99％，其透射率为1％～10％；所述高反射镜与所述部分反射镜之间的等效光学距离为工作太赫兹波的半波长的整数倍。

进一步地，所述太赫兹激光器还包括工作参数显示系统，与所述功率频率控制系统、所述恒温恒压控制系统相连接，用于接收所述功率频率控制系统、所述恒温恒压控制系统的采集参数，并根据所采集的参数计算输出太赫兹激光的工作参数，并进行显示。

进一步地，输出的所述太赫兹激光的频率介于0.1THz至30THz之间。

进一步地，所述工作物质为有机物气体、有机物液体、无机物气体、无机物液体中的一种或多种的混合物。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明利用广泛存在的分子原子或晶格的振动和转动辐射，将高温高压气体膨胀降温，在降温过程中，工作物质分子从较高的虚拟或固有能级跃迁到较低的虚拟或固有能级上，从而辐射出太赫兹波，利用谐振腔的协同作用实现太赫兹激光输出，具有高效率、小体积和低成本特点。

附图说明

图1为本发明基于高压气体膨胀降温激发的太赫兹激光器的结构示意图。

图中：01、储藏容器；011、工作物质；02、输送管；03、减压阀；04、节流阀；05、膨胀腔；06、排气管；07、谐振腔；071、高反射镜；072、部分反射镜；08、恒温恒压控制系统；09、功率频率控制系统；10、工作参数显示系统；11、电源模块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明提供一种太赫兹激光器，基于高压气体膨胀后降温激发产生太赫兹激光，具有高效率、成本低和体积小的特点。

参照图1所示，所述激光器包括有储藏容器01，所述储藏容器01用于在恒温恒压状态下存储工作物质011；其中，所述工作物质011可以是有机物或无机物，或是有机物或无机物的混合物。具体地，有机物的工作物质011可以是为酮类、醛类、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、烃类混合物、乙烯、丙烯、丁烯、烯类混合物、氟里昂、饱和碳氢化合物、不饱和碳氢化合物、或共沸混合物等。无机物的工作物质011可以是为空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、或二氧化硫等，有机物和无机物的具体物质，在此不做限定。此外，工作物质011可以是液体或气体，在此不做限制。

所述储藏容器01的恒温热量可通过供热源提供，利用供热源为所述储藏容器01提供0.1摄氏度至600摄氏度的恒定温度；所述供热源可产生于可燃烧气体、可燃烧液体、可燃烧固体或外置加热器中的一种；其中，所述外置加热器可设为燃烧炉、电阻式电热器、电磁感应式电热器、超声波加热器、无线电波加热器、微波加热器、远红外光加热器、红外光加热器、近红外光加热器、可见光加热器、太阳辐射加热器、或地热加热器，通过所述外置加热器所发出的交流电、无线电波、微波、远红外光、红外光、近红外光、可见光、太阳辐射、等离子体、或地热等作为供热源为所述储藏容器01提供足够的恒温热量。

所述储藏容器01上具有输出口，所述储藏容器01的输出口连接有输送管02，所述储藏容器01通过所述输送管02与所述膨胀腔05相连；且所述储藏容器01内处于高压高温状态，使得所述储藏容器01内气态工作物质011经所述输送管02输送至所述膨胀腔05内，或将液态工作物质011在高温高压环境下变为气态后再经所述输送管02输送至所述膨胀腔05内。

相对具有较高温度的气体进入所述膨胀腔05内后膨胀降温，在分子振动、转动和平均的分子运动减速过程中，分子会辐射出电磁波，该电磁波包括太赫兹波。

在所述膨胀腔05上设有排气管06，所述膨胀腔05内的气体在膨胀降温后可通过排气管06直接排出到大气中或排出到指定容器中进行存储或处理。而所述膨胀腔05的两端壁上分别设有第一透明窗和第二透明窗，在本实施例中，所述膨胀腔05内的气流方向垂直于所述膨胀腔05的长边侧壁，而所述第一透明窗和第二透明窗则设在所述膨胀腔05的两个短边侧壁(即两个端壁)外，该透明窗不吸收或基本不吸收太赫兹波；分别在所述第一透明窗和第二透明窗外设有共轴的高反射镜071和部分反射镜072，形成谐振腔07，使得所述太赫兹辐射经所述谐振腔07的协同形成太赫兹激光。

所述高反射镜071与所述部分反射镜072之间的等效光学距离为工作太赫兹波的半波长的整数倍，所述高反射镜071和所述部分反射镜072与功率频率控制系统09相连，功率频率控制系统09可控制所述高反射镜071和所述部分反射镜072之间的距离，从而达到调节所述太赫兹激光器的输出频率的目的；位于所述膨胀腔05端壁的第一透明窗和高反射镜071或用所述高反射镜071代替，并设置于所述膨胀腔05端壁的第一透明窗位置；位于所述膨胀腔05端壁的第二透明窗与部分反射镜072或用部分反射镜072代替，并设置于所述膨胀腔05端壁的第二透明窗位置。

所述高反射镜071和部分反射镜072可以是金属或介质反射镜，所述高反射镜071对太赫兹波的反射率为90％～100％，其透射率为0；所述部分反射镜072对太赫兹波对反射率为90％～99％，其透射率为1％～10％；所述高反射镜071和部分反射镜072共轴，其工作频率在0.1THz至30THz之间，即所述谐振腔07选择0.1THz至30THz之间频率、方向一致的光优先进行放大，抑制其它频率和方向的光，从而输出频率为0.1THz至30THz之间的太赫兹激光。

本实施例中太赫兹激光器的工作原理如下：

工作物质011在气体膨胀腔05中自由膨胀，相对于其在恒温恒压高压气体储藏容器01中的温度下降量为ΔT，则平均每个分子的内能下降量为

其中，k为玻尔兹曼常数；i为气体分子的自由度。常温下，对单原子气体，i＝3；对刚性双原子气体，i＝5；对刚性多原子气体：i＝6，对弹性大分子i＝3n，其中n为每个分子中的原子数。

气体膨胀过程中对外做功，设膨胀前的压强和温度分别为P₁、T₁(工作物质分子处于虚拟或固有能级E₁)，膨胀后的压强和温度分别为P₂、T₂(工作物质分子处于虚拟或固有能级E₂)。由于气体膨胀腔05与大气连通，因此有P₂＝P₀＝1个大气压。

由于膨胀过程很快，可以认为气体与外界无热量交换，即Q＝0，与外界的能量交换表现太赫兹辐射和膨胀做功，可以认为是类似于绝热膨胀的多方过程。

多方过程的气体状态方程为：

其中n为多方指数，m为气体的质量，M为气体的摩尔质量，R＝8.31451J·mol^-1·K^-1为普适气体常量。进一步，由式(2)和(3)可得

气体做功A为：

内能变化可写出为：

其中，为气体的摩尔定容热容。

根据能量守恒应有

-ΔE＝A+Q+E_r, (8)

由于过程进行很快，热传导可以忽略，即Q＝0,因此太赫兹辐射能为：

E_r＝-ΔE-A, (9)

进而由式(6,7,9)有

根据电动力学原理，带电粒子或电偶极子做加速或减速运动时会辐射电磁波，因此在工作物质011温度降低，分子振动、转动和平动的分子运动减速过程中，分子会辐射电磁波，该电磁波包括太赫兹波。根据能量守恒，该内能下降量部分转化为太赫兹辐射能量，部分以热能的形式释放。根据量子力学辐射能量与频率的关系以及式(10)可以计算出太赫兹辐射的频率为：

其中q为产生太赫兹辐射量子的系数。式(5)代入式(11)可得：

其中h＝6.62606896×10^-34J·s为普朗克常数，N_A＝6.02214076×10²³为阿伏伽德罗常量。

由式(12)可知，调节恒温恒压高压气体储藏容器01中气体的温度和压强，就可以调节太赫兹输出频率。气体的定容摩尔热容和多方指数也会影响太赫兹输出频率。而通过节流阀04调节气体流量，单位时间内参与辐射的分子越多，辐射功率就越大，反之则辐射功率越小。

由于ΔT<0,而频率必须大于零，所以必须满足

在本实施例中，所述太赫兹激光器所输出的太赫兹激光频率除了通过所述高反射镜071和所述部分反射镜072之间的距离来调节外，还可通过调节所述储藏容器01内气体的恒定温度和压强来改变输出的太赫兹光的输出频率。

所述储藏容器01的温度和压强可通过恒温恒压控制系统08来调节，所述恒温恒压控制系统08可实时监控所述储藏容器01内的温度和压强，还可改变所述储藏容器01内的压强，也可改变供热源为所述储藏容器01所提供的热量。

而所述太赫兹激光器输出的太赫兹激光的功率可通过安装在所述输送管02上的节流阀04进行调节；在所述输送管02上装设有减压阀03和节流阀04，所述减压阀03用于降低所述储藏容器01内的压强的大小，以维持所述储藏容器01内压强的恒定；所述节流阀04则可控制进入所述膨胀腔05内气体的气流量，从而实现调节太赫兹激光的输出功率；所述减压阀03、节流阀04均与功率频率控制系统09相连接，所述功率频率控制系统09可自动化控制减压阀03和节流阀04的工作状态，并采集所述减压阀03和所述节流阀04的工作参数。

此外，所述太赫兹激光器还包括工作参数显示系统10，与所述功率频率控制系统09、所述恒温恒压控制系统08相连接，用于接收所述功率频率控制系统09、所述恒温恒压控制系统08的采集参数，并根据所采集的参数计算输出太赫兹激光的工作参数，并进行显示。所述工作参数显示系统10可显示输出太赫兹激光的功率、频率、工作物质011的温度和压强、环境温度和压强、电源电压等参数值。

与此同时，所述太赫兹激光器还设有电源模块11，所述电源模块11与所述功率频率控制系统09、所述恒温恒压控制系统08等组件相连，为各组件提供电能，所述电源模块11可为交流或直流电源，其电压介于为6伏至380伏之间。

针对本实施例的太赫兹激光器，采用不同工作物质011可获得不同的输出频率，下面对不同的工作物质011进行试验。

下面举几个具体实施例：

实施例1.使用单原子气体为例，取P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K,对于单原子分子：(i＝3,)。取q＝1，根据式(12)，取n＝1.675，可得ν＝0.100311THz；取n＝1.684，可得ν＝0.206404THz；取n＝1.71，可得ν＝0.500429THz；取n＝1.758，可得ν＝0.998838THz；取n＝1.873，可得ν＝2.0004THz；取n＝2.518，可得ν＝5.00015THz。

实施例2.使用双原子气体为例，如氮气，并取P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K,

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.403,可得ν＝0.0886485THz；取n＝1.404，可得ν＝0.11799THz；取n＝1.407，可得ν＝0.205458THz；取n＝1.41，可得ν＝0.29204THz；取n＝1.414，可得ν＝0.406139THz；取n＝1.418，可得ν＝0.518727THz；取n＝1.421，可得ν＝0.602193THz；取n＝1.425，可得ν＝0.712204THz；取n＝1.428，可得ν＝0.793767THz；取n＝1.432，可得ν＝0.901281THz；取n＝1.436，可得ν＝1.0074THz；取n＝1.456，可得ν＝1.51799THz；取n＝1.476，可得ν＝1.99727THz；取n＝1.522，可得ν＝2.9945THz；取n＝1.576，可得ν＝4.00647THz；取n＝1.638，可得ν＝4.99748THz；取n＝1.713，可得ν＝6.00345THz；取n＝1.804，可得ν＝7.00604THz；取n＝1.917，可得ν＝8.00395THz；取n＝2.062，可得ν＝8.99887THz；取n＝2.258，可得ν＝10.0002THz。

实施例3.使用多原子气体为例，并取P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K,对于多原子气体i＝6。取q＝1，根据式(12)，取n＝1.336，可得ν＝0.106486THz；取n＝1.341，可得ν＝0.30332THz；取n＝1.346，可得ν＝0.496544THz；取n＝1.36，可得ν＝1.01912THz；取n＝1.388，可得ν＝1.98871THz；取n＝1.497，可得ν＝5.00044THz；取n＝1.824，可得ν＝10.009THz。

以下考虑使用弹性分子(如大的有机分子)的情况：

实施例4.使用甲烷为例，化学式CH₄，i＝15,设P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.134，可得ν＝0.104THz；取n＝1.137，可得ν＝0.568THz；取n＝1.14，可得ν＝1.02THz；取n＝1.147，可得ν＝2.06THz；取n＝1.168，可得ν＝4.96THz；取n＝1.211，可得ν＝10.0THz；取n＝1.332，可得ν＝20.0THz；取n＝1.567，可得ν＝30.0THz。

实施例5.使用乙烷(ethane)烷烃同系列中第二个成员，为最简单的含碳-碳单键的烃。分子式C₂H₆，i＝24,取P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.084，可得ν＝0.191THz；取n＝1.087，可得ν＝1.04THz；取n＝1.094，可得ν＝2.97THz；取n＝1.102，可得ν＝5.08THz；取n＝1.123，可得ν＝10.2THz；取n＝1.172，可得ν＝20.1THz；取n＝1.237，可得ν＝30.0THz。

从实施例1～实施例5中可得，在相同的压强和温度的情况下，不同种类的工作物质011经过太赫兹激光器输出的太赫兹激光频率不同，其气体的定容摩尔热容和多方指数也会影响太赫兹输出频率。

实施例6.使用丙烷，三碳烷烃为例，化学式为C₃H₈，i＝33, 取P₁＝15Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.061，可得ν＝0.166THz；取n＝1.063，可得ν＝1.0THz；取n＝1.073，可得ν＝5.05THz；取n＝1.087，可得ν＝10.3THz；取n＝1.116，可得ν＝20.0THz；取n＝1.152，可得ν＝29.9THz。

实施例7.使用丙烷，三碳烷烃为例，化学式为C₃H₈，i＝33, 取P₁＝10Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.061，可得ν＝0.155THz；取n＝1.063，可得ν＝0.934THz；取n＝1.074，可得ν＝5.06THz；取n＝1.089，可得ν＝10.3THz；取n＝1.121，可得ν＝20.1THz；取n＝1.16，可得ν＝30.1THz。

实施例8.使用丙烷，三碳烷烃为例，化学式为C₃H₈，i＝33, 取P₁＝5Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝300K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.061，可得ν＝0.134THz；取n＝1.064可得ν＝1.14THz；取n＝1.076，可得ν＝5.03THz；取n＝1.093，可得ν＝10.1THz；取n＝1.121，可得ν＝20.1THz；取n＝1.177，可得ν＝30.1THz。

根据实施例6～实施例8可知，温度相同，相同工作物质011(有机物)在不同压强下所输出的太赫兹激光频率不同，降低压强使太赫兹激光的输出频率降低。

实施例9.使用丙烷，三碳烷烃为例，化学式为C₃H₈，i＝33, 取P₁＝10Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝273.15K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.061，可得ν＝0.141THz；取n＝1.064，可得ν＝1.2THz；取n＝1.075，可得ν＝4.94THz；取n＝1.091，可得ν＝9.98THz；取n＝1.128，可得ν＝20.1THz；取n＝1.173，可得ν＝30.0THz。

实施例10.使用丙烷，三碳烷烃为例，化学式为C₃H₈，i＝33, 取P₁＝10Mp,P₂＝P₀＝1标准大气压＝0.1013Mp,T₁＝258K。

取q＝1，根据式(12)，取n＝1.061，可得ν＝0.133THz；取n＝1.064，可得ν＝1.14THz；取n＝1.076，可得ν＝4.98THz；取n＝1.093，可得ν＝9.99THz；取n＝1.132，可得ν＝19.9THz；取n＝1.182，可得ν＝30.0THz。

根据实施例9～实施例10可知，相同工作物质011(有机物)在相同压强下，提高温度可加大太赫兹激光的输出频率。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。