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高重频光泵脉冲太赫兹激光器及稳定控制研究

张延超  
【摘要】:太赫兹(THz)波具有许多独特的优点,在THz成像、激光雷达、生物医学、基础研究等领域具有极大的应用价值和广阔的应用前景,是目前研究的前沿和热点。在高速THz成像、THz雷达、通信等领域中要求THz激光有较高的脉冲重复频率以及稳定的功率输出。而脉冲光泵THz激光是获得脉冲THz激光的重要手段之一,目前主要采用TEA脉冲CO2激光泵浦THz激光工作介质,虽能获得较高峰值功率的THz激光输出,但是重复频率低,一般不超过1kHz。为获得稳定的THz激光,要求泵浦源的频率偏置并稳定在激光介质共振吸收频率处,泵浦光的频率稳定度将直接影响THz激光的稳定输出。如何获得稳定输出的高重频脉冲THz激光是本文研究的重点,也是本论文的研究目的。 本论文的研究工作主要包括理论分析脉冲光泵THz激光动力学过程、高重频脉冲泵浦源的研究、高重频脉冲THz激光系统及稳定控制、旋转F-P标准具的方法测量THz激光波长研究等。论文的主要研究内容如下: (1)采用三能级系统速率方程理论,分析了脉冲光泵CH3OH THz激光的动力学过程。在理论上讨论了旋转法珀(F-P)标准具准确测量THz激光波长及判断THz激光的偏振态的方法。 (2)研究了多种高重频光泵THz激光的泵浦源。主要包括双通道光栅选支的"Z"折叠的射频波导CO2激光器,双通道电光调Q "Z"折叠射频波导CO2激光器,射频激励和直流激励的机械斩波调Q CO2激光器。最高重复频率20kHz,调节光栅角度,可在9~11μm波段选择激光波长。本文选择直流激励斩波调Q CO2激光器作为脉冲光泵THz激光泵浦源,满足高重频(20kHz)、较高峰值功率的要求。 (3)为获得理想泵浦源,采用最小脉冲建立时间法主动稳频脉冲泵浦源以及结合偏频锁定技术实现对泵浦激光器的频率偏置和稳定。实验中分别对双通道"Z"折叠射频激励电光调Q CO2激光器和两脉冲光栅选支的射频波导CO2进行主动稳频和偏频锁定实验,获得了良好的实验结果,激光器长期频率稳定度提高至10-8,长期偏频锁定精度±2MHz,验证了该方法的可行性。 (4)设计了光泵THz激光振荡器,并采用高重频机械斩波调Q CO2激光器作为泵浦源,通过调整光栅角度,选取不同谱线分别泵浦CH3OH和CH2F2气体,共获得了8条THz激光谱线输出,采用热释电探测器分别探测到重复频率为20kHz的脉冲序列波形,并分别测量了THz激光的平均功率,脉冲峰值功率最高为3.5W,通过旋转F-P标准具的方法测量了4条激光谱线的波长并通过透过率曲线形状判断THz激光偏振态,测量精度0.1~0.5μm,理论和实验符合较好。 (5)采用功率极值法稳定高重频光泵THz激光系统,在系统闭环情况下,158.5μm的THz激光在50分钟内长期稳定于10mW左右,功率漂移约为±1mW,相比开环工作,激光功率稳定度由0.24提高至0.09,激光功率漂移的速度减小了10倍。在功率稳定的情况下,测量了不同镜片对THz激光的透过率以及采用118.8μm的THz激光对包裹的物体进行一维透射成像实验,可分辨出不同材料及不同宽度的物体。


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