基于CO2激光的可調(diào)諧中紅外及THz差頻產(chǎn)生技術(shù)研究.pdf

1、位于大氣透明窗口的紅外可調(diào)諧激光，不僅具有較高的大氣透過率，而且還覆蓋了眾多原子及分子的吸收峰，因而在環(huán)境監(jiān)測，生物醫(yī)療，安全檢查，紅外遙感和軍事雷達等諸多民用和軍事方面有重要應(yīng)用。而目前除在9~11μm紅外區(qū)域內(nèi)，擁有技術(shù)較為成熟的CO2激光光源之外，在3～5μm中紅外波段和遠紅外太赫茲波段仍缺少能夠高效輸出，并且能寬范圍調(diào)諧的激光輻射源。針對上述重要需求，本文將主要研究基于CO2激光調(diào)諧及頻率變換技術(shù)，產(chǎn)生從中紅外到遠紅外太赫茲范圍

2、的可調(diào)諧激光，具體內(nèi)容包括以下幾個方面。
　　為了了解CO2激光的產(chǎn)生機理，利用CO2激光動力學(xué)六溫度模型對脈沖放電CO2激光器的動力學(xué)行為進行了較全面的模擬分析。不僅考慮了激光器工作氣體配比、氣壓、CO2氣體分解、輸出耦合鏡反射率、環(huán)境溫度等諸多因素對激光脈沖特性的影響，并且理論計算結(jié)果與實驗測量的CO2激光脈沖特性符合較好。同時，也模擬了CO2激光器輸出脈沖的縱模結(jié)構(gòu)，以及考慮在光柵調(diào)諧時不同支線之間脈沖輸出特性的差異，使模擬

3、結(jié)果能夠為激光器工作參數(shù)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　在研究溫度動力學(xué)模型理論的基礎(chǔ)上，我們建立了一臺短脈沖放電、可調(diào)諧CO2激光器。該激光器可以在9.2~10.8μm之間調(diào)諧輸出，輸出最大單脈沖能量520 mJ。同時，對激光器的工作氣體參數(shù)，調(diào)諧性能等相關(guān)參數(shù)進行了詳細分析。隨后，我們設(shè)計并實現(xiàn)了在同一諧振腔中輸出雙波長的可調(diào)諧脈沖CO2激光器，且激光脈沖能夠同步輸出。上述可調(diào)諧脈沖CO2激光器的建立為之后非線性光學(xué)頻率變

4、換的研究提供了基本泵浦源。另外，我們將現(xiàn)有的脈沖放電CO2激光器改造成了能夠直接輸出5.3μm中紅外激光的常溫CO脈沖激光器，為進一步研究脈沖放電CO激光器作出了實驗上的初步探索。
　　采用可調(diào)諧CO2激光的頻率變換技術(shù)獲得了中紅外激光輻射，在AgGaS2、AgGaSe2和GaSe三種晶體中分別實現(xiàn)了CO2激光的倍頻輸出。當(dāng)9.6μm基頻光能量為100 mJ時，在AgGaSe2晶體中得到最大轉(zhuǎn)換效率為6.3％。隨后，利用AgGaS

5、e2晶體輸出的倍頻激光，分別在Ⅱ類相位匹配AgGaSe2和GaSe晶體中產(chǎn)生了CO2激光的三倍頻和四倍頻。其中，AgGaSe2晶體中三倍頻轉(zhuǎn)換效率為0.3％，GaSe晶體中的三倍頻和四倍頻轉(zhuǎn)換效率分別為0.1％和0.02％。為了評價其調(diào)諧能力，實驗中也實現(xiàn)了對10.6μm激光二倍頻、三倍頻和四倍頻的產(chǎn)生。通過泵浦激光波長的調(diào)諧，CO2激光的二倍頻、三倍頻和四倍頻能夠?qū)⒓す忸l率變換到2.3～5.4μm調(diào)諧范圍內(nèi)，實現(xiàn)覆蓋整個中紅外波段。并

6、且，對上述幾種晶體中諧波產(chǎn)生過程的相位匹配特性進行了理論分析。
　　根據(jù)CO2激光差頻產(chǎn)生太赫茲輻射在轉(zhuǎn)換效率上的優(yōu)勢，從理論上分析研究了CO2激光在幾種太赫茲非線性光學(xué)晶體中差頻的相位匹配特性，對差頻過程的相位匹配角度，調(diào)諧帶寬等重要參數(shù)進行了計算分析，并對幾種晶體的差頻性能進行了評估。最后，利用我們自行研制的雙波長CO2激光器在GaAs晶體中差頻獲得了在70～2706μm（0.11～4.15 THz）寬范圍內(nèi)可調(diào)諧輸出的窄帶太