脉冲光泵CH3OH分子THz激光研究

摘要

THz激光是一种具有很多独特优点的新型辐射源，THz科学技术是一个非常重要的多学科交叉的前沿领域，在国民经济发展和国防等方面具有重要意义。本论文介绍了自行研制的一种新型脉冲光泵CH3OH分子THz激光器，由于该激光器是全金属结构，具有结构简单、体积小的优点，为进一步深入研究奠定了基础，具有广阔的应用前景。本激光器可以应用于高速THz成像、THz激光雷达、医疗诊断及其他领域。
　　本论文采用典型激光器速率方程理论对光泵CH3OH分子动力学过程进行了分析。首先，通过对CH3OH分子能级结构的分析，建立了三能级系统理论模型；其次，对产生THz激光过程中激光上下能级粒子数的变化进行了分析，得到了CH3OH分子三能级速率方程；第三，计算了参与激光过程的有效分子数和谐振腔内光子平均寿命；第四，对得到的速率方程进行了仿真求解，得到基态能级粒子数随时间变化关系曲线、激光上下能级粒子数随时间变化关系曲线、输出THz脉冲波形，并进行了比较分析。
　　本论文介绍的THz激光系统，主要包括泵浦系统和THz激光系统两部分，泵浦系统中泵浦源为光栅选支的全金属射频波导CO2激光器，THz激光系统也采用了全金属结构，由谐振腔、激光通道、配气系统、窗口、外壳五部分组成。激光谐振腔采用传统的平-凹谐振腔，泵浦激光输入及THz激光输出采用小孔耦合输入输出方式。由于采用了全金属结构，不用水冷，减去了复杂的水冷系统，使得所设计的THz激光系统具有结构简单、体积小的优点。
　　在实验上测试了THz激光器输出波形，得到了谐振腔内激光工作物质CH3OH气体分子气压与THz激光输出强度关系曲线和泵浦光重复频率从100Hz到1000Hz范围内THz激光输出波形，并进行了比较分析。由于受探测器带宽限制，我们观测到的THz激光输出最高重复频率为1000Hz。最后应用所研制的THz激光器对锗片和硅片的透过率进行了测试。

目录

脉冲光泵CH3OH分子THz激光研究

STUDY ON PULSED OPERATION OF AN OPTICALLY PUMPED CH3OH MOLECULAR THz LASER

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 THz技术发展简介

1.1.1 THz空隙

1.1.2 THz电磁波的独特性质

1.1.3 THz研究的重要意义

1.2 光泵THz激光器国内外研究现状

1.3 本文目的及主要研究内容

第2章 光泵THz激光理论

2.1 激光器的基本理论

2.1.1 经典理论

2.1.2 半经典理论

2.1.3 量子理论

2.1.4 速率方程理论

2.2 激光器的基本组成

2.2.1 激光工作物质

2.2.2 激励(泵浦)系统

2.2.3 光学谐振腔

2.3 光泵THz光波激光原理

2.4 选择跃迁定则

2.5 光泵THz光波的非线性效应

2.5.1 Raman效应

2.5.2 AC Stark效应

2.6 典型激光器速率方程

2.6.1 三能级系统

2.6.2 四能级系统

2.7 本章小结

第3章 光泵CH3OH分子动力学分析

3.1 CH3OH气体分子结构分析

3.2 CH3OH气体分子三能级系统模型

3.3 泵浦过程参数分析

3.3.1 分析泵浦过程中所用各符号物理意义

3.3.2 谱线加宽和线型函数

3.4 CH3OH分子速率方程

3.4.1 激光上能级粒子数变化

3.4.2 激光下能级粒子数变化

3.4.3 谐振腔内光子数密度变化

3.4.4 单位体积内参与激光过程的有效分子数计算

3.4.5 谐振腔内光子平均寿命计算

3.5 CH3OH分子速率方程求解

3.5.1 四阶龙格库塔法

3.5.2 数值计算中所用参数

3.5.3 仿真求解及结果分析

3.6 本章小结

第4章 光泵CH3OH分子THz激光系统研究

4.1 实验系统

4.2 THz激光器输出实验

4.2.1 THz激光输出测试

4.2.2 高重复频率THz激光输出测试

4.3 部分材料对于THz激光的透过率测试

4.3.1 锗片对于THz激光的透过率测试

4.3.2 硅片对于THz激光的透过率测试

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢