TEACO2激光泵浦的高效D2O氣體THz激光器研究.pdf

1、光泵氣體THz激光器具有輸出功率高、能量大的特點(diǎn)，是一種有效且實(shí)用的THz激光光源。然而，傳統(tǒng)的TEA CO2激光泵浦氣體THz激光器存在效率低、體積大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等亟待解決的問(wèn)題。因此獲得高效率、高功率、高光束質(zhì)量和緊湊型的光泵氣體 THz激光器是 THz成像、THz差分吸收雷達(dá)、THz外差遙感探測(cè)和THz無(wú)損檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求。鑒于此，本論文的主要工作是從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)TEACO2激光泵浦的高效D2O氣體THz激光器及相關(guān)

2、技術(shù)進(jìn)行研究。
　　理論方面，考慮了光泵D2O氣體THz激光過(guò)程中共振激光躍遷和非共振拉曼激光躍遷，以半經(jīng)典的密度矩陣?yán)碚摓榛A(chǔ)推導(dǎo)出密度矩陣速率方程，結(jié)合腔內(nèi)光強(qiáng)的速率方程構(gòu)成了脈沖光泵D2O氣體THz激光器的理論模型。然而，實(shí)際THz激光器腔內(nèi)的泵浦光強(qiáng)和THz光強(qiáng)均隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，這使得理論計(jì)算變得非常復(fù)雜和困難。為了便于數(shù)值計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段確定了D2O氣體的激光能級(jí)結(jié)構(gòu)，泵浦光的吸收系數(shù)和泵浦激光脈沖波形等理論計(jì)算

3、中涉及的關(guān)鍵參量，并以此為依據(jù)對(duì)理論模型進(jìn)行了三能級(jí)簡(jiǎn)化、腔內(nèi)泵浦光等效近似和泵浦激光脈沖波形近似等處理，建立了可進(jìn)行數(shù)值仿真運(yùn)算的激光器動(dòng)力學(xué)模型。
　　采用建立的激光器動(dòng)力學(xué)模型對(duì)高效率、緊湊型光泵D2O氣體THz激光器的輸出特性進(jìn)行了理論仿真和分析。在基橫模泵浦情況下，諧振腔長(zhǎng)度為140cm時(shí)，討論了泵浦激光能量、脈沖波形、工作氣壓等參數(shù)對(duì)THz激光器的輸出功率、脈沖波形和脈沖寬度等性能的影響。隨后討論了泵浦能量、泵浦頻移、

4、工作氣壓、輸出耦合率等參數(shù)對(duì)THz激光器輸出能量的影響。
　　實(shí)驗(yàn)方面，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的光泵D2O氣體超輻射THz激光器，并開(kāi)展了激光器輸出性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。研制了基于 Ge片為反射鏡的掃描 Fabry-Perot(F-P)干涉儀，并對(duì)THz激光光譜進(jìn)行了測(cè)量。當(dāng)腔長(zhǎng)為120cm、基橫模泵浦時(shí)，獲得能量1.3mJ、峰值功率10kW的385?m激光輸出，光子轉(zhuǎn)換效率為29％；采用多橫模泵浦時(shí)，獲得6.2mJ、峰值功率51.7kW的3

5、85?m激光輸出，光子轉(zhuǎn)換效率為36.5%。對(duì)泵浦殘余激光脈沖波形的研究發(fā)現(xiàn)，殘余激光的拖尾脈沖與主脈沖的延遲時(shí)間包含了振動(dòng)弛豫時(shí)間信息，測(cè)量的振動(dòng)弛豫時(shí)間約為5.5μs?Torr~5.7μsTorr。
　　在緊湊型、高光束質(zhì)量的光泵氣體 THz激光器研究方面，提出一種基于z-cut石英晶片為二色片的新型 THz諧振腔，并對(duì)采用該諧振腔的光泵 D2O氣體THz激光器進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)諧振腔長(zhǎng)度為120cm，多模泵浦激光為1.4

6、1J時(shí)，獲得了脈沖能量7.4mJ，峰值功率82.2kW，光束質(zhì)量M2因子為1.77的385?mTHz激光輸出。其對(duì)應(yīng)的光子轉(zhuǎn)換效率為44%，是目前報(bào)道光泵D2O氣體385?m THz激光器的最大光子效率。實(shí)驗(yàn)研究了輸出耦合率、諧振腔長(zhǎng)度對(duì)光泵D2O氣體激光器輸出能量的影響。在諧振腔長(zhǎng)度為140cm，工作氣壓為500Pa時(shí)，獲得了最大THz能量輸出，脈沖能量為10.1mJ，峰值功率為112.2kW的385?m激光輸出，對(duì)應(yīng)光子轉(zhuǎn)換效率為5