TEACO2激光泵浦的高效D2O气体THz激光器研究

摘要

光泵气体THz激光器具有输出功率高、能量大的特点，是一种有效且实用的THz激光光源。然而，传统的TEA CO2激光泵浦气体THz激光器存在效率低、体积大和结构复杂等亟待解决的问题。因此获得高效率、高功率、高光束质量和紧凑型的光泵气体 THz激光器是 THz成像、THz差分吸收雷达、THz外差遥感探测和THz无损检测等应用领域的迫切需求。鉴于此，本论文的主要工作是从理论和实验两个方面对TEACO2激光泵浦的高效D2O气体THz激光器及相关技术进行研究。
　　理论方面，考虑了光泵D2O气体THz激光过程中共振激光跃迁和非共振拉曼激光跃迁，以半经典的密度矩阵理论为基础推导出密度矩阵速率方程，结合腔内光强的速率方程构成了脉冲光泵D2O气体THz激光器的理论模型。然而，实际THz激光器腔内的泵浦光强和THz光强均随时间和空间发生变化，这使得理论计算变得非常复杂和困难。为了便于数值计算，通过实验手段确定了D2O气体的激光能级结构，泵浦光的吸收系数和泵浦激光脉冲波形等理论计算中涉及的关键参量，并以此为依据对理论模型进行了三能级简化、腔内泵浦光等效近似和泵浦激光脉冲波形近似等处理，建立了可进行数值仿真运算的激光器动力学模型。
　　采用建立的激光器动力学模型对高效率、紧凑型光泵D2O气体THz激光器的输出特性进行了理论仿真和分析。在基横模泵浦情况下，谐振腔长度为140cm时，讨论了泵浦激光能量、脉冲波形、工作气压等参数对THz激光器的输出功率、脉冲波形和脉冲宽度等性能的影响。随后讨论了泵浦能量、泵浦频移、工作气压、输出耦合率等参数对THz激光器输出能量的影响。
　　实验方面，设计了结构紧凑的光泵D2O气体超辐射THz激光器，并开展了激光器输出性能优化实验研究。研制了基于 Ge片为反射镜的扫描 Fabry-Perot(F-P)干涉仪，并对THz激光光谱进行了测量。当腔长为120cm、基横模泵浦时，获得能量1.3mJ、峰值功率10kW的385?m激光输出，光子转换效率为29％；采用多横模泵浦时，获得6.2mJ、峰值功率51.7kW的385?m激光输出，光子转换效率为36.5%。对泵浦残余激光脉冲波形的研究发现，残余激光的拖尾脉冲与主脉冲的延迟时间包含了振动弛豫时间信息，测量的振动弛豫时间约为5.5μs?Torr~5.7μsTorr。
　　在紧凑型、高光束质量的光泵气体 THz激光器研究方面，提出一种基于z-cut石英晶片为二色片的新型 THz谐振腔，并对采用该谐振腔的光泵 D2O气体THz激光器进行了优化实验研究。当谐振腔长度为120cm，多模泵浦激光为1.41J时，获得了脉冲能量7.4mJ，峰值功率82.2kW，光束质量M2因子为1.77的385?mTHz激光输出。其对应的光子转换效率为44%，是目前报道光泵D2O气体385?m THz激光器的最大光子效率。实验研究了输出耦合率、谐振腔长度对光泵D2O气体激光器输出能量的影响。在谐振腔长度为140cm，工作气压为500Pa时，获得了最大THz能量输出，脉冲能量为10.1mJ，峰值功率为112.2kW的385?m激光输出，对应光子转换效率为54.2%。在基横模泵浦情况，谐振腔长度为140cm时，实验研究了泵浦激光能量、脉冲波形、工作气压等参数对THz激光器的输出能量、脉冲波形和脉冲宽度等性能的影响。并将实验结果与理论仿真进行了对比，理论计算与实验符合较好，验证了所建立的激光器动力学模型的正确性。在谐振腔长为140cm时，获得了2.31mJ的385?m激光输出，光子转换效率约为56.1%。

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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光泵气体THz激光器的研究进展

1.3本文主要研究内容

第2章 基于密度矩阵速率方程的激光器动力学模型

2.1引言

2.2半经典密度矩阵理论

2.3光泵THz激光器动力学模型

2.4本章小结

第3章 光泵D2O气体THz激光器动力学模型近似及理论仿真研究

3.1 引言

3.2激光光谱研究

3.3 腔内泵浦光强近似处理

3.4泵浦激光脉冲波形近似

3.5近似处理后的激光器动力学模型

3.6激光动力学模型的理论计算及分析

3.7本章小结

第4章 TEA CO2激光泵浦D2O气体超辐射THz激光器实验研究

4.1 引言

4.2 THz激光器泵浦源

4.3 THz激光波长测量技术

4.4光泵超辐射THz激光器

4.5多横模TEA CO2激光泵浦超辐射THz激光器实验研究

4.6基横模TEA CO2激光泵浦超辐射THz激光器实验研究

4.7本章小结

第5章 基于L型谐振腔的光泵D2O气体THz激光器实验研究

5.1 引言

5.2 L型光泵THz激光谐振腔

5.3 多模泵浦L腔THz激光器输出性能研究

5.4基横模泵浦L腔THz激光器的实验研究

5.5光泵L腔THz激光器的实验与计算结果对比

5.6 THz激光脉冲波形研究

5.7输出耦合率对THz激光器输出能量的影响

5.8谐振腔长度对THz激光器输出能量的影响

5.9 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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