阅读说明：本技术 基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器 (Terahertz laser based on single automatic temperature-adjusting low-temperature heat source ) 是由 黄粤龙 欧阳征标 黄海涛 陶科玉 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器,包括：储藏容器,用于存储工作物质；冷却腔,通过第一输送管与储藏容器相连通,并在第一输送管上设有温度检测设备；低温热源设备,与冷却腔相连,使储藏容器内的工作物质经第一输送管输送至冷却腔内进行冷却,产生太赫兹辐射；温度控制系统,用于根据温度检测设备反馈的温度数据调节低温热源设备所产生的热量,进而维持冷却腔内部和储藏容器内部之间的温度差为设定值；谐振腔,冷却腔的两端壁上均设有透明窗,并在两个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,使太赫兹辐射经谐振腔的协同形成太赫兹激光。本发明可自动调节冷却腔内温度,提高太赫兹激光的能量转换效率。(The invention discloses a terahertz laser based on a single automatic temperature-regulating low-temperature heat source, which comprises: a storage container for storing a working substance; the cooling cavity is communicated with the storage container through a first conveying pipe, and the first conveying pipe is provided with temperature detection equipment; the low-temperature heat source equipment is connected with the cooling cavity, so that the working substance in the storage container is conveyed into the cooling cavity through the first conveying pipe to be cooled, and terahertz radiation is generated; the temperature control system is used for adjusting the heat generated by the low-temperature heat source equipment according to the temperature data fed back by the temperature detection equipment so as to maintain the temperature difference between the inside of the cooling cavity and the inside of the storage container as a set value; transparent windows are arranged on two end walls of the resonant cavity, and coaxial high reflectors and partial reflectors are respectively arranged outside the two transparent windows to form the resonant cavity, so that terahertz radiation is cooperated with the resonant cavity to form terahertz laser. The invention can automatically adjust the temperature in the cooling cavity and improve the energy conversion efficiency of the terahertz laser.)

基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器。

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单个自动调温低温热源的太赫兹激光器，可自动调节冷却腔内温度，提高太赫兹激光的能量转换效率。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器，包括：

储藏容器和工作物质，储藏容器用于存储工作物质；

冷却腔，通过第一输送管与所述储藏容器相连通，并在所述第一输送管上设有温度检测设备；

低温热源设备，与所述冷却腔相连，为所述冷却腔提供低于所述工作物质温度的热量，使所述储藏容器内的工作物质经所述第一输送管输送至所述冷却腔内进行冷却，产生太赫兹辐射；

温度控制系统，与所述低温热源设备、所述温度检测设备相连，用于根据所述温度检测设备反馈的温度数据调节所述低温热源设备所产生的热量，进而维持所述冷却腔内部和所述储藏容器内部之间的温度差为设定值；

谐振腔，所述冷却腔的两端壁上分别设有第一透明窗和第二透明窗，并在所述第一透明窗和所述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，使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，所述第一输送管上设有单向阀门，使所述储藏容器内的所述工作物质单向进入所述冷却腔内。

进一步地，所述冷却腔通过第二输送管连接有回收容器，并在所述第二输送管上设有单向阀门，使所述冷却腔内的工作物质单向进入所述回收容器内。

进一步地，所述第二输送管上设有动力设备，以带动所述冷却腔内的所述工作物质进入所述回收容器内。

进一步地，所述动力设备连接有频率功率控制系统，所述频率功率控制系统控制所述动力设备的输送速度以改变所述工作物质的流量，实现调节太赫兹激光的输出功率。

进一步地，所述高反射镜、所述部分反射镜与所述频率功率控制系统相连，所述频率功率控制系统调节所述高反射镜和所述部分反射镜之间的距离，以改变太赫兹激光的输出频率；位于所述冷却腔端壁的第一透明窗和高反射镜或用所述高反射镜代替，并设置于所述冷却腔端壁的第一透明窗位置；位于所述冷却腔端壁的第二透明窗与部分反射镜或用部分反射镜代替，并设置于所述冷却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，与所述频率功率控制系统、所述温度控制系统相连接，用于接收所述频率功率控制系统、所述温度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，所述低温热源设备、所述冷却腔、所述第一输送管及所述第二输送管外包裹有绝热层。

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：

通过温度检测设备实时检测所述工作物质的温度，根据检测所得的温度数据自动调节所述低温热源设备所产生的热量，使所述冷却腔内的温度始终维持比所述工作物质温度低一个设定值，让所述工作物质进入所述冷却腔内后进行冷却降温，工作物质分子从高能级(虚拟或固有能级)跃迁到较低的能级(虚拟或固有能级)上，从而产生太赫兹辐射，再利用谐振腔的协同作用实现太赫兹激光输出，使得太赫兹激光器具有高效率、小体积和低成本特点。

附图说明

图1为本发明基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器的结构示意图；

图中：01、低温热源设备；02、冷却腔；021、第一透明窗；022、第二透明窗；03、工作物质；04、第一输送管；05、第一单向阀门；06、储藏容器；07、第二输送管；08、温度传感器；09、第二单向阀门；10、回收容器；11、谐振腔；111、高反射镜；112、部分反射镜；12、动力设备；13、绝热层；14、温度控制系统；15、频率功率控制系统；16、工作参数显示系统；17、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。

本发明提供一种基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器，其输出太赫兹光相干性好、方向性好、体积小、能量转换效率高，具有广泛应用价值。

参照图1所示，所述基于单个自动调温低温热源的太赫兹激光器包括有用于存储工作物质03的储藏容器06，存储在所述储藏容器06中的工作物质03的温度为室温温度。其中，所述工作物质03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，当所述工作物质03是有机物时，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。当所述工作物质03是无机物时，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03可以是液体或气体状态，在此不做限制。

所述储藏容器06通过第一输送管04与冷却腔02相连通，使得所述储藏容器06内的工作物质03可经所述第一输送管04输送至所述冷却腔02内。为了防止所述工作物质03逆流影响激光器正常输出太赫兹激光，在所述第一输送管04上设有第一单向阀门05，使所述储藏容器06内的所述工作物质03单向进入所述冷却腔02内。

所述冷却腔02还与低温热源设备01相连，所述低温热源设备01为所述冷却腔02提供低于所述工作物质03温度的热量，使所述储藏容器06内的工作物质03经所述第一输送管04输送至所述冷却腔02内进行冷却，产生太赫兹辐射；所述低温热源设备01可以是冷水机组等可以产生低于室温的温度的设备，所述低温热源设备01可与所述冷却腔02紧贴接触，也可通过管道将产生的热量传输给所述冷却腔02，实现通过直接或间接的方式调节所述冷却腔02内的温度，进而维持所述冷却腔02内部和所述储藏容器06内部之间的温度差为设定值。

与此同时，在所述第一输送管04上设有温度检测设备，在本实施例中，所述温度检测设备为温度传感器08，温度传感器08可检测所述第一输送管04内的工作物质03的温度，并将检测所得的温度数据传输至温度控制系统14中进行分析。其中，所述温度控制系统14与所述低温热源设备01、所述温度检测设备相连，所述温度控制系统14接收到温度传感器08检测所得的温度数据后，根据设定的太赫兹辐射频率和工作物质03的温度数据自动控制所述低温热源设备01所产生的热量，进而维持所述冷却腔02内部和所述储藏容器06内部之间的温度差为设定值，以实现自动调节太赫兹激光器的输出频率。

而在所述低温热源设备01、所述冷却腔02、所述第一输送管04及所述第二输送管07外包裹有绝热层13，通过绝热层13与外界隔离，使得所述冷却腔02和输送管内工作物质03的温度相对稳定，不受外界环境温度影响，提高太赫兹激光的输出稳定性。

在所述冷却腔02的两端壁上分别设有第一透明窗021和第二透明窗022，在本实施例中，所述冷却腔02内的气流方向垂直于所述冷却腔02的长边侧壁，而所述第一透明窗021和第二透明窗022则设在所述冷却腔02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；并在所述第一透明窗021和第二透明窗022外分别设有共轴的高反射镜111和部分反射镜112，形成谐振腔11，使得所述太赫兹辐射经所述谐振腔11的协同形成太赫兹激光。

所述高反射镜111与所述部分反射镜112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111和所述部分反射镜112与频率功率控制系统15相连，频率功率控制系统15可控制所述高反射镜111和所述部分反射镜112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；位于所述冷却腔02端壁的第一透明窗021和高反射镜111或用所述高反射镜111代替，并设置于所述冷却腔02端壁的第一透明窗021的位置；位于所述冷却腔02端壁的第二透明窗022与部分反射镜112或用部分反射镜112代替，并设置于所述冷却腔02端壁的第二透明窗022位置。

所述高反射镜111和部分反射镜112可以是金属或介质反射镜，所述高反射镜111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112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111和部分反射镜112共轴，其工作频率在0.1THz至30THz之间，即所述谐振腔11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。

此外，所述冷却腔02通过第二输送管07连接有回收容器10，所述回收容器10用于存储冷却后的工作物质03；并在所述第二输送管07上设有第二单向阀门09，使所述冷却腔02内的工作物质03单向进入所述回收容器10内，与此同时，所述第二输送管07上设有动力设备12，以带动并加快所述冷却腔02内的所述工作物质03进入所述回收容器10内进行存储。而所述动力设备12可以是鼓风机或泵，所述鼓风机可用于带动气态工作物质03进行输送，而所述泵则可用于带动液态的工作物质03进行输送；所述动力设备12还可与频率功率控制系统15相连，所述频率功率控制系统15控制所述动力设备12的输送速度以改变所述工作物质03的流量，实现调节太赫兹激光的输出功率。

工作物质03从工作物质03储存容器经工作物质03送入第一输送管04(温度为T₁，对应虚拟能级或固有能级E₁)进入所述冷却腔02(温度为T₂，对应虚拟能级或固有能级E₂)，温度变化值为ΔT＝T₂-T₁，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。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03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(1)可以计算出太赫兹辐射的频率为：

其中h＝6.62606896×10-³⁴J·s为普朗克常数，其中q为分子内能转化为太赫兹辐射量子的系数。

由式(2)可知，改变自动调温低温热源的温度，调节温差ΔT即可以调节太赫兹输出波的频率。由于流量决定单位时间内在冷却腔02中辐射太赫兹量子的数目，也就决定了太赫兹辐射功率，所以控制工作物质03的流速可以控制太赫兹的输出功率。在系统中，太赫兹辐射能量与低温热源系统中制冷系统所做的功直接相关，但是根据热泵原理，工作物质03内能的变化量绝对值数倍于制冷机的功，因此该系统具有很高的太赫兹辐射转化效率。

下面举几个具体实施例：

实施例1.用单原子气体作为工作物质03为例，对于单原子分子：i＝3，取q＝1，根据式(2)，取T₁＝300K,T₂＝297K，可得ν＝0.937649THz；取T₁＝300K,T₂＝293K，可得ν＝0.218785THz；取T₁＝300K,T₂＝290K，可得ν＝0.31255THz；取T₁＝300K,T₂＝287K，可得ν＝0.406315THz；取T₁＝300K,T₂＝284K，可得ν＝0.500079THz；取T₁＝300K,T₂＝281K，可得ν＝0.593844THz；取T₁＝300K,T₂＝277K，可得ν＝0.718864THz；取T₁＝300K,T₂＝274K，可得ν＝0.812629THz；取T₁＝300K,T₂＝271K，可得ν＝0.906394THz；取T₁＝300K,T₂＝268K，可得ν＝1.00016THz；取T₁＝300K,T₂＝236K，可得ν＝2.00032THz；取T₁＝300K,T₂＝204K，可得ν＝3.00048THz；取T₁＝300K,T₂＝172K，可得ν＝4.00064THz,取T₁＝300K,T₂＝140K，可得ν＝5.00079THz。

实施例2.使用双原子气体为例，如氮气，对于双原子分子：i＝5，取q＝1，根据式(2)，取T₁＝290K,T₂＝288K，可得ν＝0.104183THz；取T₁＝290K,T₂＝280K，可得ν＝0.520916THz；取T₁＝290K,T₂＝270K，可得ν＝1.04183THz；取T₁＝290K,T₂＝251K，可得ν＝2.03157THz；取T₁＝290K,T₂＝194K，可得ν＝5.00079THz；取T₁＝290K,T₂＝98K，可得ν＝10.0016THz。

实施例3.使用多原子气体为例，对于多原子气体i＝6，取q＝1，根据式(2)，取T₁＝280K,T₂＝278K，可得ν＝0.12501THz；取T₁＝280K,T₂＝272K，可得ν＝0.500079THz；取T₁＝280K,T₂＝264K，可得ν＝1.00016THz；取T₁＝280K,T₂＝248K，可得ν＝2.00032THz；取T₁＝280K,T₂＝232K，可得ν＝3.00048THz；取T₁＝280K,T₂＝216K，可得ν＝4.00064THz；取T₁＝280K,T₂＝200K，可得ν＝5.00079THz；取T₁＝280K,T₂＝120K，可得ν＝10.0016THz。

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,取q＝1，根据式(2)，取T₁＝300K,T₂＝299K，可得ν＝0.156275THz；取T₁＝300K,T₂＝297K，可得ν＝0.468825THz；取T₁＝300K,T₂＝293K，可得ν＝1.09392THz；取T₁＝300K,T₂＝287K，可得ν＝2.03157THz；取T₁＝300K,T₂＝281K，可得ν＝2.96922THz；取T₁＝300K,T₂＝274K，可得ν＝4.06315THz；取T₁＝300K,T₂＝268K，可得ν＝5.00079THz；取T₁＝300K,T₂＝262K，可得ν＝5.93844THz；取T₁＝300K,T₂＝236K，可得ν＝10.0016THz；取T₁＝300K,T₂＝204K，可得ν＝15.0024THz。

实施例5.使用乙烷(ethane)为例，其分子式C₂H₆，i＝24，取q＝1，根据式(2)，取T₁＝300K,T₂＝299K，可得ν＝0.25004THz；取T₁＝300K,T₂＝298K，可得ν＝0.500079THz；取T₁＝300K,T₂＝297K，可得ν＝0.750119THz；取T₁＝300K,T₂＝296K，可得ν＝1.00016THz；取T₁＝300K,T₂＝292K，可得ν＝2.00032THz；取T₁＝300K,T₂＝288K，可得ν＝3.00048THz；取T₁＝300K,T₂＝284K，可得ν＝4.00064THz；取T₁＝300K,T₂＝280K，可得ν＝5.00079THz；取T₁＝300K,T₂＝260K，可得ν＝10.0016THz；取T₁＝300K,T₂＝240K，可得ν＝15.0024THz；取T₁＝300K,T₂＝220K，可得ν＝20.0032THz；取T₁＝300K,T₂＝200K，可得ν＝25.004THz；取T₁＝300K,T₂＝180K，可得ν＝30.0048THz。

此外，所述太赫兹激光器还包括工作参数显示系统16，与所述频率功率控制系统15、所述温度控制系统14相连接，用于接收所述频率功率控制系统15、所述温度控制系统14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16可显示输出太赫兹激光的功率、频率、工作物质03的温度和压强、环境温度和压强、电源电压等参数值。所述太赫兹激光器还设有电源模块17，所述电源模块17与所述频率功率控制系统15、所述恒温控制系统、所述工作参数显示系统16相连，为各系统组件提供电能，所述电源模块17可为交流或直流电源，其电压介于为6伏至380伏之间。

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。