高重頻光泵脈沖太赫茲激光器及穩(wěn)定控制研究.pdf

1、太赫茲（THz）波具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在THz成像、激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，是目前研究的前沿和熱點(diǎn)。在高速 THz成像、THz雷達(dá)、通信等領(lǐng)域中要求 THz激光有較高的脈沖重復(fù)頻率以及穩(wěn)定的功率輸出。而脈沖光泵 THz激光是獲得脈沖 THz激光的重要手段之一，目前主要采用TEA脈沖CO2激光泵浦THz激光工作介質(zhì)，雖能獲得較高峰值功率的THz激光輸出，但是重復(fù)頻率低，一般不超過(guò)1kHz。為獲

2、得穩(wěn)定的THz激光，要求泵浦源的頻率偏置并穩(wěn)定在激光介質(zhì)共振吸收頻率處，泵浦光的頻率穩(wěn)定度將直接影響THz激光的穩(wěn)定輸出。如何獲得穩(wěn)定輸出的高重頻脈沖THz激光是本文研究的重點(diǎn)，也是本論文的研究目的。
　　本論文的研究工作主要包括理論分析脈沖光泵THz激光動(dòng)力學(xué)過(guò)程、高重頻脈沖泵浦源的研究、高重頻脈沖THz激光系統(tǒng)及穩(wěn)定控制、旋轉(zhuǎn)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的方法測(cè)量THz激光波長(zhǎng)研究等。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）采用三能級(jí)系統(tǒng)速

3、率方程理論，分析了脈沖光泵CH3OH THz激光的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在理論上討論了旋轉(zhuǎn)法珀（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具準(zhǔn)確測(cè)量 THz激光波長(zhǎng)及判斷THz激光的偏振態(tài)的方法。
　　（2）研究了多種高重頻光泵 THz激光的泵浦源。主要包括雙通道光柵選支的"Z"折疊的射頻波導(dǎo) CO2激光器，雙通道電光調(diào) Q"Z"折疊射頻波導(dǎo) CO2激光器，射頻激勵(lì)和直流激勵(lì)的機(jī)械斬波調(diào) Q CO2激光器。最高重復(fù)頻率20kHz，調(diào)節(jié)光柵角度，可在9~11μm波段選擇激

4、光波長(zhǎng)。本文選擇直流激勵(lì)斬波調(diào) Q CO2激光器作為脈沖光泵 THz激光泵浦源，滿足高重頻（20kHz）、較高峰值功率的要求。
　?。?）為獲得理想泵浦源，采用最小脈沖建立時(shí)間法主動(dòng)穩(wěn)頻脈沖泵浦源以及結(jié)合偏頻鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光器的頻率偏置和穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)雙通道"Z"折疊射頻激勵(lì)電光調(diào) Q CO2激光器和兩脈沖光柵選支的射頻波導(dǎo) CO2進(jìn)行主動(dòng)穩(wěn)頻和偏頻鎖定實(shí)驗(yàn)，獲得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激光器長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度提高至10-8，長(zhǎng)期

5、偏頻鎖定精度±2MHz，驗(yàn)證了該方法的可行性。
　?。?）設(shè)計(jì)了光泵THz激光振蕩器，并采用高重頻機(jī)械斬波調(diào)Q CO2激光器作為泵浦源，通過(guò)調(diào)整光柵角度，選取不同譜線分別泵浦 CH3OH和CH2F2氣體，共獲得了8條THz激光譜線輸出，采用熱釋電探測(cè)器分別探測(cè)到重復(fù)頻率為20kHz的脈沖序列波形，并分別測(cè)量了THz激光的平均功率，脈沖峰值功率最高為3.5W，通過(guò)旋轉(zhuǎn)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的方法測(cè)量了4條激光譜線的波長(zhǎng)并通過(guò)透過(guò)率曲線形狀判斷

6、THz激光偏振態(tài)，測(cè)量精度0.1~0.5μm，理論和實(shí)驗(yàn)符合較好。
　?。?）采用功率極值法穩(wěn)定高重頻光泵THz激光系統(tǒng)，在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，158.5μm的THz激光在50分鐘內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定于10mW左右，功率漂移約為±1mW，相比開(kāi)環(huán)工作，激光功率穩(wěn)定度由0.24提高至0.09，激光功率漂移的速度減小了10倍。在功率穩(wěn)定的情況下，測(cè)量了不同鏡片對(duì)THz激光的透過(guò)率以及采用118.8μm的THz激光對(duì)包裹的物體進(jìn)行一維透射成像實(shí)驗(yàn)，可