基于CO2激光的可调谐中红外及THz差频产生技术研究

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位于大气透明窗口的红外可调谐激光，不仅具有较高的大气透过率，而且还覆盖了众多原子及分子的吸收峰，因而在环境监测，生物医疗，安全检查，红外遥感和军事雷达等诸多民用和军事方面有重要应用。而目前除在9~11μm红外区域内，拥有技术较为成熟的CO2激光光源之外，在3～5μm中红外波段和远红外太赫兹波段仍缺少能够高效输出，并且能宽范围调谐的激光辐射源。针对上述重要需求，本文将主要研究基于CO2激光调谐及频率变换技术，产生从中红外到远红外太赫兹范围的可调谐激光，具体内容包括以下几个方面。
　　为了了解CO2激光的产生机理，利用CO2激光动力学六温度模型对脉冲放电CO2激光器的动力学行为进行了较全面的模拟分析。不仅考虑了激光器工作气体配比、气压、CO2气体分解、输出耦合镜反射率、环境温度等诸多因素对激光脉冲特性的影响，并且理论计算结果与实验测量的CO2激光脉冲特性符合较好。同时，也模拟了CO2激光器输出脉冲的纵模结构，以及考虑在光栅调谐时不同支线之间脉冲输出特性的差异，使模拟结果能够为激光器工作参数的进一步优化设计提供理论依据。
　　在研究温度动力学模型理论的基础上，我们建立了一台短脉冲放电、可调谐CO2激光器。该激光器可以在9.2~10.8μm之间调谐输出，输出最大单脉冲能量520 mJ。同时，对激光器的工作气体参数，调谐性能等相关参数进行了详细分析。随后，我们设计并实现了在同一谐振腔中输出双波长的可调谐脉冲CO2激光器，且激光脉冲能够同步输出。上述可调谐脉冲CO2激光器的建立为之后非线性光学频率变换的研究提供了基本泵浦源。另外，我们将现有的脉冲放电CO2激光器改造成了能够直接输出5.3μm中红外激光的常温CO脉冲激光器，为进一步研究脉冲放电CO激光器作出了实验上的初步探索。
　　采用可调谐CO2激光的频率变换技术获得了中红外激光辐射，在AgGaS2、AgGaSe2和GaSe三种晶体中分别实现了CO2激光的倍频输出。当9.6μm基频光能量为100 mJ时，在AgGaSe2晶体中得到最大转换效率为6.3％。随后，利用AgGaSe2晶体输出的倍频激光，分别在Ⅱ类相位匹配AgGaSe2和GaSe晶体中产生了CO2激光的三倍频和四倍频。其中，AgGaSe2晶体中三倍频转换效率为0.3％，GaSe晶体中的三倍频和四倍频转换效率分别为0.1％和0.02％。为了评价其调谐能力，实验中也实现了对10.6μm激光二倍频、三倍频和四倍频的产生。通过泵浦激光波长的调谐，CO2激光的二倍频、三倍频和四倍频能够将激光频率变换到2.3～5.4μm调谐范围内，实现覆盖整个中红外波段。并且，对上述几种晶体中谐波产生过程的相位匹配特性进行了理论分析。
　　根据CO2激光差频产生太赫兹辐射在转换效率上的优势，从理论上分析研究了CO2激光在几种太赫兹非线性光学晶体中差频的相位匹配特性，对差频过程的相位匹配角度，调谐带宽等重要参数进行了计算分析，并对几种晶体的差频性能进行了评估。最后，利用我们自行研制的双波长CO2激光器在GaAs晶体中差频获得了在70～2706μm（0.11～4.15 THz）宽范围内可调谐输出的窄带太赫兹脉冲辐射。在236.3μm处获得了最大输出单脉冲能量为2.1μJ，对应峰值功率35 W，其外部功率转换效率为0.0018％，光子转换效率达0.04％。当激光器在重复频率10 Hz工作条件下，太赫兹辐射平均功率可达10μW。

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作者
卢彦兆;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科光学工程
授予学位博士
导师姓名王新兵;
年度 2011
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类能源、光泵（浦）;
关键词
CO2激光光源; 红外可调谐激光器; 太赫兹差频产生; 频率变换; 短脉冲放电;

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