光泵气体THz激光器的能量转化效率的研究

摘要

THz波位于电磁波谱中微波和红外波之间，属于亚毫米波。由于其性质十分独特，能穿透非金属、非极性材料、烟雾和浮尘等且不造成伤害，并且能够识别生物大分子，因此，研究高能量转化效率的THz源意义重大。本论文从提高光泵气体THz激光器的能量转化效率方面入手，利用TEA CO2激光器作为泵浦源，利用NH3（氨气）气体作为工作介质，从理论和实验方面对能量转化效率随泵浦能量和气体压强的变化规律进行了初步研究。
　　理论方面，建立了三能级速率方程理论模型，采用四阶Rung-Kutta法，利用MATLAB程序进行数值仿真，从激光产生机理的角度分析了泵浦能量和气体压强对各能级粒子数以及THz光子数的影响。在特定气压下，研究了能量转化效率随泵浦能量的变化规律，得到能量转化效率的最大值为0.3％，且在泵浦能量为200mJ~1J范围内基本维持不变，在0～200mJ以及1～50J，能量转化效率均低于0.3%；在特定泵浦能量下，研究了能量转化效率随气体压强的变化规律，得到能量转化效率最大值处对应的气压为550Pa，并考虑了泵浦光在NH3气体中的吸收过程对气体压强及能量转化效率的影响。
　　实验方面，设计并搭建了光泵NH3气体超辐射THz激光器，测试了泵浦源TEA CO2激光器的性能；研究了TEA CO2激光器的9R(16)支线及其两侧支线9R(14)支线和9R(18)支线在NH3气体中的吸收特性。在特定气压下，研究了能量转化效率随泵浦能量的变化规律，得到了能量转化效率随泵浦能量呈线性增长规律，并且在泵浦能量为200mJ时，获得能量转化效率最大值为0.4%；在特定泵浦能量下，研究了能量转化效率随气体压强的变化规律，得到能量转化效率最大值处对应的气压约为550Pa。对比了理论与实验关于能量转化效率的研究，对误差产生的原因进行了分析，并指出了理论模型的优缺点及后续研究的方向。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 光泵NH3气体THz激光器的理论研究

2.1 引言

2.2 三能级速率方程理论模型

2.3 速率方程理论模型的理论计算基础

2.4 速率方程理论模型数值求解及仿真

2.5 本章小结

第3章 光泵NH3气体THz激光器的能量转化效率的理论研究

3.1 引言

3.2 THz输出能量的理论研究

3.3 NH3气体的吸收特性

3.4 能量转化效率的理论研究

3.5 本章小结

第4章 光泵NH3气体THz激光器的实验系统搭建

4.1 引言

4.2 实验系统及方案设计

4.3 实验平台的建立

4.4 NH3气体吸收特性的实验研究

4.5 本章小结

第5章 光泵NH3气体THz激光器的能量转化效率的实验研究

5.1 能量转化效率的实验研究

5.2 理论仿真与实验研究对比

5.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢