快调谐TEA CO2单纵模激光及注入锁频技术研究

摘要

单纵模TEA CO2激光器因其具有窄线宽、高功率、可调谐、对人眼安全等优点，广泛应用于光泵浦远红外激光器、分子光谱学、速度测量以及大气遥感监测等诸多领域中。当其用于CO2差分吸收雷达（DIAL）时，由于具有极好的单色性和相干性，可以实现外差探测。与直接探测 CO2 DIAL相比，外差探测CO2 DIAL探测距离更远，探测灵敏度更高，并且可以同时获得目标的速度信息，这些优点使得国外在二十世纪八十年代就开始对其进行研究。外差探测CO2 DIAL的关键技术之一就是要求使用频率稳定的单纵模TEA CO2激光器，作为发射机的振荡源，鉴于此，本文从理论上和实验上对TEA CO2激光器获得单纵模激光技术及频率锁定技术进行了研究。
　　首先导出了可以描述TEA CO2激光器动力学过程的六温度振动转动模型，利用该模型对单纵模TEA CO2激光器的输出特性进行了分析，讨论了混合气体压强、气体成分、气体温度、输出耦合镜反射率以及谐振腔长对输出激光的影响，为TEA CO2激光器的优化设计提供了理论依据。
　　研制了一台高重复频率可调谐TEA CO2激光器。对激光器的电极面型、预电离方式以及放电电路进行了分析和计算，建立了CLR放电电路的理论模型，并且根据激光器实际工作参数利用该模型对放电过程进行了模拟，揭示了气体激光器脉冲放电的规律。当激光器单横模运转时，可获得四个谱区共77支谱线的调谐输出，最强支谱线基横模输出能量达到350mJ，M2=1.21。
　　为了获得较大范围内单纵模激光的高功率可调谐输出，提出一种多干涉仪谐振腔结构。从三镜腔实现单纵模激光的机理出发，基于场方程和自洽场理论，对采用多干涉仪谐振腔获得单纵模激光的特性进行了分析和计算，讨论了影响激光器选单纵模能力的因素。实验上采用这种谐振腔结构实现了TEA CO2单纵模激光的输出，得到10.6μm单纵模激光最大输出能量为324mJ，激光器可以实现69支谱线单纵模激光的调谐输出。在相同的实验条件下，与其它的干涉型谐振腔相比，使用多干涉仪谐振腔得到的单纵模激光的能量和调谐范围均有较大提高。
　　为了实现稳定的单纵模激光的快速调谐输出，进行了快调谐TEA CO2激光器注入锁频技术的研究。理论上将六温度振动模型与注入场方程耦合，考虑转动动力学及谐振腔模式间的相互作用，得到了注入锁频TEA CO2激光器的理论计算模型，并采用此模型计算了不同条件下注入锁频激光器的输出特性。实验上首先采用扭转模腔实现了弱支谱线单纵模激光的输出，9.77μm单纵模激光的输出能量达到47mJ，有效地解决了 TEA CO2激光器中增益较弱谱线单纵模难以稳定输出的问题，同时也为注入锁频奠定了基础。然后通过缩短激光脉冲建立时间的方法来控制连续种子激光器与脉冲激光器之间实现纵模匹配，实现了TEA CO2激光器的注入锁频，并对频率锁定时和失锁时输出激光的特性进行了研究。最后设计了一种新型的快调谐机制，解决了激光器快调谐输出时的重复定位精度问题，并且利用这种方法实现了10.28μm锁频激光和9.77μm单纵模激光的快调谐输出。

目录

快调谐TEA CO2单纵模激光及注入锁频技术研究

STUDY OF SINGLE LONGITUDINAL MODE AND INJECTION LOCKING IN RAPIDLY TUNABLE TEA CO2 LASER

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 单纵模TEA CO2激光器的研究进展

1.3 频率锁定技术的研究进展

1.4 外差探测CO2 DIAL研究进展

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 CO2激光器动力学过程研究

2.1 CO2激光器振动动力学过程

2.2 CO2激光器转动动力学过程

2.3 六温度模型计算结果

2.4 本章小结

第3章 可调谐TEA CO2激光器件优化设计

3.1 TEA CO2激光器放电室

3.2 高压脉冲激励电路

3.3 触发控制系统

3.4 TEA CO2激光器输出性能的研究

3.5 本章小结

第4章 干涉型谐振腔实现单纵模激光研究

4.1 三镜腔获得单纵模激光

4.2 多干涉仪谐振腔获得单纵模激光

4.3 单纵模激光输出实验研究

4.4 本章小结

第5章 快调谐TEA CO2激光器注入锁频技术研究

5.1 扭转模腔选单纵模输出

5.2 TEA CO2激光器注入锁频的理论研究

5.3 种子光注入实现单纵模激光实验研究

5.4 频率锁定实验研究

5.5 外差探测原理性实验研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历