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文檔簡(jiǎn)介
1、位于大氣透明窗口的紅外可調(diào)諧激光,不僅具有較高的大氣透過(guò)率,而且還覆蓋了眾多原子及分子的吸收峰,因而在環(huán)境監(jiān)測(cè),生物醫(yī)療,安全檢查,紅外遙感和軍事雷達(dá)等諸多民用和軍事方面有重要應(yīng)用。而目前除在9~11μm紅外區(qū)域內(nèi),擁有技術(shù)較為成熟的CO2激光光源之外,在3~5μm中紅外波段和遠(yuǎn)紅外太赫茲波段仍缺少能夠高效輸出,并且能寬范圍調(diào)諧的激光輻射源。針對(duì)上述重要需求,本文將主要研究基于CO2激光調(diào)諧及頻率變換技術(shù),產(chǎn)生從中紅外到遠(yuǎn)紅外太赫茲范圍
2、的可調(diào)諧激光,具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
為了了解CO2激光的產(chǎn)生機(jī)理,利用CO2激光動(dòng)力學(xué)六溫度模型對(duì)脈沖放電CO2激光器的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了較全面的模擬分析。不僅考慮了激光器工作氣體配比、氣壓、CO2氣體分解、輸出耦合鏡反射率、環(huán)境溫度等諸多因素對(duì)激光脈沖特性的影響,并且理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的CO2激光脈沖特性符合較好。同時(shí),也模擬了CO2激光器輸出脈沖的縱模結(jié)構(gòu),以及考慮在光柵調(diào)諧時(shí)不同支線之間脈沖輸出特性的差異,使模擬
3、結(jié)果能夠?yàn)榧す馄鞴ぷ鲄?shù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
在研究溫度動(dòng)力學(xué)模型理論的基礎(chǔ)上,我們建立了一臺(tái)短脈沖放電、可調(diào)諧CO2激光器。該激光器可以在9.2~10.8μm之間調(diào)諧輸出,輸出最大單脈沖能量520 mJ。同時(shí),對(duì)激光器的工作氣體參數(shù),調(diào)諧性能等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨后,我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在同一諧振腔中輸出雙波長(zhǎng)的可調(diào)諧脈沖CO2激光器,且激光脈沖能夠同步輸出。上述可調(diào)諧脈沖CO2激光器的建立為之后非線性光學(xué)頻率變
4、換的研究提供了基本泵浦源。另外,我們將現(xiàn)有的脈沖放電CO2激光器改造成了能夠直接輸出5.3μm中紅外激光的常溫CO脈沖激光器,為進(jìn)一步研究脈沖放電CO激光器作出了實(shí)驗(yàn)上的初步探索。
采用可調(diào)諧CO2激光的頻率變換技術(shù)獲得了中紅外激光輻射,在AgGaS2、AgGaSe2和GaSe三種晶體中分別實(shí)現(xiàn)了CO2激光的倍頻輸出。當(dāng)9.6μm基頻光能量為100 mJ時(shí),在AgGaSe2晶體中得到最大轉(zhuǎn)換效率為6.3%。隨后,利用AgGaS
5、e2晶體輸出的倍頻激光,分別在Ⅱ類相位匹配AgGaSe2和GaSe晶體中產(chǎn)生了CO2激光的三倍頻和四倍頻。其中,AgGaSe2晶體中三倍頻轉(zhuǎn)換效率為0.3%,GaSe晶體中的三倍頻和四倍頻轉(zhuǎn)換效率分別為0.1%和0.02%。為了評(píng)價(jià)其調(diào)諧能力,實(shí)驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了對(duì)10.6μm激光二倍頻、三倍頻和四倍頻的產(chǎn)生。通過(guò)泵浦激光波長(zhǎng)的調(diào)諧,CO2激光的二倍頻、三倍頻和四倍頻能夠?qū)⒓す忸l率變換到2.3~5.4μm調(diào)諧范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)中紅外波段。并
6、且,對(duì)上述幾種晶體中諧波產(chǎn)生過(guò)程的相位匹配特性進(jìn)行了理論分析。
根據(jù)CO2激光差頻產(chǎn)生太赫茲輻射在轉(zhuǎn)換效率上的優(yōu)勢(shì),從理論上分析研究了CO2激光在幾種太赫茲非線性光學(xué)晶體中差頻的相位匹配特性,對(duì)差頻過(guò)程的相位匹配角度,調(diào)諧帶寬等重要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析,并對(duì)幾種晶體的差頻性能進(jìn)行了評(píng)估。最后,利用我們自行研制的雙波長(zhǎng)CO2激光器在GaAs晶體中差頻獲得了在70~2706μm(0.11~4.15 THz)寬范圍內(nèi)可調(diào)諧輸出的窄帶太
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