高效率光泵CH3F氣體192μm太赫茲激光器研究.pdf

1、光泵氣體太赫茲激光器能夠輸出高能量、高光束質(zhì)量的太赫茲激光，在太赫茲相干探測(cè)、太赫茲光譜學(xué)以及等離子體診斷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。在過去的幾十年中，雖然光泵氣體太赫茲激光器得到了不斷的發(fā)展，但仍然存在體積大、效率低等亟待解決的問題。尤其是目前難以制造紅外/太赫茲波段的高性能二色片，使得高效率光泵氣體太赫茲激光器的發(fā)展受到制約。波長為192μm的太赫茲波對(duì)許多材料具有很強(qiáng)的穿透能力，并且其光波頻率處于大氣窗口之內(nèi)，因而在近年來備受關(guān)注。鑒

2、于此，本論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面開展了光泵CH3F氣體192μm太赫茲激光器的研究工作，以期獲得高效率的192μm太赫茲輻射源。
　　理論方面，根據(jù)10.17μm CO2激光泵浦CH3F氣體介質(zhì)產(chǎn)生192μm太赫茲激光的能級(jí)躍遷過程，建立了四能級(jí)速率方程模型。針對(duì)泵浦脈沖寬度為100ns的短脈沖作用情況，采用四階龍格-庫塔法對(duì)激光速率方程組進(jìn)行求解，數(shù)值分析了泵浦能量、工作氣壓、諧振腔腔長及輸出耦合鏡透過率等工作參數(shù)對(duì)太赫茲激光的脈

3、沖延時(shí)、脈沖寬度、輸出能量及能量轉(zhuǎn)化效率的影響，從而為光泵CH3F氣體192μm太赫茲激光器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。
　　實(shí)驗(yàn)方面，通過對(duì)CH3F氣體介質(zhì)在192μm波長處的吸收特性和增益特性的研究，給出了192μm太赫茲輻射實(shí)現(xiàn)受激放大的工作條件，開展了無諧振腔的光泵192μm太赫茲激光器的實(shí)驗(yàn)研究?；诒闷秩肷浯皩?duì)后向太赫茲輻射的反射作用，實(shí)現(xiàn)了192μm太赫茲輻射的雙程放大，討論了工作氣壓、泵浦能量和增益介質(zhì)長度等

4、工作參數(shù)對(duì)太赫茲輻射能量的影響。在泵浦能量為600mJ、工作氣壓為1350Pa、增益介質(zhì)長度為185cm的條件下，獲得了脈沖能量為0.48mJ的192μm太赫茲輻射輸出，該能量為單程放大過程輸出能量的5.3倍。通過討論太赫茲輻射強(qiáng)度、脈沖延時(shí)時(shí)間及脈沖寬度隨氣壓的變化關(guān)系，對(duì)光泵CH3F無腔太赫茲激光器的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明其輸出的太赫茲輻射來源于自發(fā)輻射的受激放大過程。此外，基于一對(duì)Ge平面鏡組成的F-P干涉儀實(shí)現(xiàn)了太赫茲

5、波長的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得光泵CH3F無腔太赫茲激光器輸出的輻射波長為187.2μm。
　　基于ZnSe窗片和石英晶片組成的F-P太赫茲諧振腔，實(shí)現(xiàn)了192μm太赫茲激光振蕩，討論了泵浦能量、諧振腔腔長及輸出耦合鏡透過率等工作參數(shù)對(duì)192μm太赫茲激光輸出能量的影響。在泵浦能量為600mJ、腔長為100cm、輸出耦合鏡透過率為78％的條件下，獲得了脈沖能量為0.6mJ、峰值功率為7.1kW的192μm太赫茲激光輸出，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化效率為

6、0.1%。當(dāng)采用刀口掃描法對(duì)太赫茲激光的光束特性進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，太赫茲激光的橫向強(qiáng)度分布符合高斯分布，即獲得的192μm太赫茲激光模式為基橫模，在水平方向和豎直方向上的發(fā)散角分別為17mrad和17.3mrad。在室溫為25℃、空氣濕度為50%的條件下測(cè)得192μm太赫茲激光的大氣衰減系數(shù)約為0.012cm-1，并且192μm太赫茲激光能夠透射白紙、塑料和有機(jī)玻璃等材料，這些特點(diǎn)使得192μm太赫茲激光有潛力應(yīng)用于短距離太赫茲探測(cè)和成像

7、。
　　采用鍍?cè)鐾改さ谋e片作為紅外/太赫茲波段的二色片，構(gòu)建了高效率光泵CH3F氣體192μm太赫茲激光器?；跇?biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，Ge二色片在入射角度為30°時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)10.17μm紅外激光98%的透射以及對(duì)192μm太赫茲激光76%的反射，有效地減小了太赫茲諧振腔的本征損耗。在泵浦能量為600mJ、腔長為100cm、輸出耦合鏡透過率為64%的條件下，獲得了脈沖能量為0.92mJ、峰值功率為10kW的192μm太赫茲激光輸出，相應(yīng)的

8、能量轉(zhuǎn)化效率為0.16%，這是迄今報(bào)道的光泵192μm太赫茲激光的最高效率。
　　通過改變泵浦支線和Ge二色片的入射角度，實(shí)現(xiàn)了光泵CH3F氣體太赫茲激光器的調(diào)諧輸出，分別獲得了波長為181μm、261μm、360μm和496μm的4支高效率光泵太赫茲激光譜線，其中波長為261μm和360μm的太赫茲激光的能量轉(zhuǎn)化效率均為迄今報(bào)道的最高效率。該結(jié)果表明基于角度調(diào)諧的Ge二色片可應(yīng)用于100~500μm波段的高效率光泵氣體太赫茲激光