高重頻光泵脈沖太赫茲激光器及穩(wěn)定控制研究.pdf

1、太赫茲（THz）波具有許多獨特的優(yōu)點，在THz成像、激光雷達、生物醫(yī)學、基礎研究等領域具有極大的應用價值和廣闊的應用前景，是目前研究的前沿和熱點。在高速 THz成像、THz雷達、通信等領域中要求 THz激光有較高的脈沖重復頻率以及穩(wěn)定的功率輸出。而脈沖光泵 THz激光是獲得脈沖 THz激光的重要手段之一，目前主要采用TEA脈沖CO2激光泵浦THz激光工作介質，雖能獲得較高峰值功率的THz激光輸出，但是重復頻率低，一般不超過1kHz。為獲

2、得穩(wěn)定的THz激光，要求泵浦源的頻率偏置并穩(wěn)定在激光介質共振吸收頻率處，泵浦光的頻率穩(wěn)定度將直接影響THz激光的穩(wěn)定輸出。如何獲得穩(wěn)定輸出的高重頻脈沖THz激光是本文研究的重點，也是本論文的研究目的。
　　本論文的研究工作主要包括理論分析脈沖光泵THz激光動力學過程、高重頻脈沖泵浦源的研究、高重頻脈沖THz激光系統(tǒng)及穩(wěn)定控制、旋轉F-P標準具的方法測量THz激光波長研究等。論文的主要研究內容如下：
　?。?）采用三能級系統(tǒng)速

3、率方程理論，分析了脈沖光泵CH3OH THz激光的動力學過程。在理論上討論了旋轉法珀（F-P）標準具準確測量 THz激光波長及判斷THz激光的偏振態(tài)的方法。
　?。?）研究了多種高重頻光泵 THz激光的泵浦源。主要包括雙通道光柵選支的"Z"折疊的射頻波導 CO2激光器，雙通道電光調 Q"Z"折疊射頻波導 CO2激光器，射頻激勵和直流激勵的機械斬波調 Q CO2激光器。最高重復頻率20kHz，調節(jié)光柵角度，可在9~11μm波段選擇激

4、光波長。本文選擇直流激勵斬波調 Q CO2激光器作為脈沖光泵 THz激光泵浦源，滿足高重頻（20kHz）、較高峰值功率的要求。
　　（3）為獲得理想泵浦源，采用最小脈沖建立時間法主動穩(wěn)頻脈沖泵浦源以及結合偏頻鎖定技術實現(xiàn)對泵浦激光器的頻率偏置和穩(wěn)定。實驗中分別對雙通道"Z"折疊射頻激勵電光調 Q CO2激光器和兩脈沖光柵選支的射頻波導 CO2進行主動穩(wěn)頻和偏頻鎖定實驗，獲得了良好的實驗結果，激光器長期頻率穩(wěn)定度提高至10-8，長期

5、偏頻鎖定精度±2MHz，驗證了該方法的可行性。
　?。?）設計了光泵THz激光振蕩器，并采用高重頻機械斬波調Q CO2激光器作為泵浦源，通過調整光柵角度，選取不同譜線分別泵浦 CH3OH和CH2F2氣體，共獲得了8條THz激光譜線輸出，采用熱釋電探測器分別探測到重復頻率為20kHz的脈沖序列波形，并分別測量了THz激光的平均功率，脈沖峰值功率最高為3.5W，通過旋轉F-P標準具的方法測量了4條激光譜線的波長并通過透過率曲線形狀判斷

6、THz激光偏振態(tài)，測量精度0.1~0.5μm，理論和實驗符合較好。
　?。?）采用功率極值法穩(wěn)定高重頻光泵THz激光系統(tǒng)，在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，158.5μm的THz激光在50分鐘內長期穩(wěn)定于10mW左右，功率漂移約為±1mW，相比開環(huán)工作，激光功率穩(wěn)定度由0.24提高至0.09，激光功率漂移的速度減小了10倍。在功率穩(wěn)定的情況下，測量了不同鏡片對THz激光的透過率以及采用118.8μm的THz激光對包裹的物體進行一維透射成像實驗，可