高能量光泵太赫茲氣體激光器研究.pdf

1、太赫茲波具有透視性、安全性、光譜分辨本領(lǐng)等特點(diǎn),在無(wú)損檢測(cè)、安全檢查、光譜分析等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。光泵太赫茲氣體激光器是獲得高能量高功率相干太赫茲波的重要技術(shù),通過(guò)改變?cè)鲆娼橘|(zhì)和泵浦光波長(zhǎng)可以獲得數(shù)千條太赫茲譜線。很多太赫茲增益介質(zhì)的吸收譜都在CO2激光的波長(zhǎng)范圍內(nèi),橫向放電激勵(lì)大氣壓(TEA)CO2激光器的脈沖能量和峰值功率很高,是脈沖光泵太赫茲激光器最有效的泵浦源。
　　本論文利用TEA CO2激光器泵浦NH3、CH3OH

2、和D2O產(chǎn)生脈沖太赫茲激光,主要研究?jī)?nèi)容包括提高太赫茲激光能量和轉(zhuǎn)換效率的方法,以及太赫茲激光參數(shù)和特性的測(cè)試技術(shù)。
　　為了獲得多條太赫茲譜線,需要泵浦激光實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧輸出,本論文首先研究高能量TEA CO2激光器的光柵選支技術(shù)。探討了光柵選支的原理,光柵參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù),以及光柵的Littrow安裝結(jié)構(gòu)。利用閃耀光柵實(shí)現(xiàn)兩種型號(hào)TEA CO2激光器的選支輸出,其中TEA-30型激光器輸出58條支線,最高能量13J,TEA-300

3、型激光器輸出49條支線,最高能量54J。為了實(shí)現(xiàn)單支線振蕩,激光諧振腔必須足夠長(zhǎng)以增大相鄰支線間的線色散。在高氣壓工作的TEA-300型激光器的混合氣體中加入少量三乙胺可以穩(wěn)定輝光放電和激光脈沖能量,但會(huì)降低9μm帶支線的能量。
　　合理設(shè)計(jì)太赫茲激光振蕩器可以有效提高太赫茲激光的轉(zhuǎn)換效率,本論文設(shè)計(jì)了兩套太赫茲激光振蕩器真空系統(tǒng)。其中低真空系統(tǒng)由石英玻璃管激光腔、機(jī)械泵、熱偶規(guī)等組成,以O(shè)型橡膠圈密封;高真空系統(tǒng)由不銹鋼管激光腔

4、、渦輪分子泵、復(fù)合高真空規(guī)等組成,主要以刀口法蘭和銅墊圈密封。提出用Ge標(biāo)準(zhǔn)具作為振蕩器的太赫茲高反鏡,其太赫茲反射率可達(dá)78％,太赫茲部分反射鏡使用石英晶體。
　　為了獲得高能量太赫茲激光,需要高增益的太赫茲增益氣體。利用前面設(shè)計(jì)的選支TEA CO2激光器和太赫茲激光振蕩器,研究了NH3、CH3OH和D2O的太赫茲譜線特性。利用TEA-300的10P(32)支線泵浦NH3產(chǎn)生的151.5μm譜線能量高達(dá)204mJ,9R(16)支

5、線泵浦產(chǎn)生的90μm譜線能量為130mJ。利用Ge標(biāo)準(zhǔn)具充當(dāng)太赫茲激光振蕩器的高反鏡時(shí),151.5μm譜線的光子轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.8％。CH3OH蒸汽由TEA-30的9P(16)支線泵浦產(chǎn)生的570.5μm譜線能量為0.39 mJ,9P(36)支線泵浦產(chǎn)生的118.8μm譜線能量為0.27 mJ。D2O蒸汽由TEA-30的9R(22)支線泵浦產(chǎn)生高增益的385μm譜線,使用Ge標(biāo)準(zhǔn)具高反鏡的效率是金屬線柵高反鏡的3.5倍。385μm譜線

6、的最高能量為4.44mJ,光子轉(zhuǎn)換效率為7.0％。
　　對(duì)太赫茲激光各項(xiàng)參數(shù)的研究有利于充分掌握光泵太赫茲激光的特性,本論文最后研究了脈沖光泵太赫茲激光的波長(zhǎng)、光束質(zhì)量、偏振和大氣傳輸特性的測(cè)試技術(shù)。提出用兩個(gè)全同Ge標(biāo)準(zhǔn)具組成法布里-玻羅(F-P)干涉儀測(cè)量太赫茲激光波長(zhǎng),Ge標(biāo)準(zhǔn)具F-P干涉儀的理論精細(xì)度(相鄰?fù)干浞宓南辔徊?π與透射峰的相位半寬度之比)大于12.5,實(shí)際的波長(zhǎng)測(cè)量誤差小于±1％。利用激光模式儀分析了脈沖光泵N

7、H3太赫茲激光的光束質(zhì)量,151.5μm譜線的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角約為衍射極限的7倍。檢測(cè)了TEA-30的9R(22)支線和D2O的385μm譜線的偏振特性,結(jié)果顯示9R(22)支線基本是光柵的TM線偏振光(偏振方向與光柵刻槽方向垂直),而385μm譜線在垂直于泵浦光的偏振方向上增益較強(qiáng)。通過(guò)測(cè)量太赫茲激光傳輸10m后的剩余能量,發(fā)現(xiàn)90μm譜線的大氣吸收嚴(yán)重,151.5μm和385μm譜線的大氣吸收相對(duì)較小。
　　本論文建立了完整的脈沖光