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《华中科技大学》 2010年
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可调谐TEA CO_2激光泵浦的脉冲THz激光器性能研究

纠智先  
【摘要】: 随着近年来THz技术的广泛应用,越来越多的研究机构投身于这项具有极大应用潜力的技术中来。对于THz技术中最重要的部分——THz辐射源的研究也变得越来越重要。新型THz光源技术,如各种非线性光学原理产生的可调谐THz波相干辐射、量子级联激光器及自由电子激光器等存在输出功率弱或者设备造价昂贵等缺点,难以广泛普及。传统的光泵THz激光器由于技术较成熟,可靠性高,目前仍是THz波段较实用的辐射源,但如何提高其光泵效率获得高能量THz激光,以适应THz技术的应用,是该领域研究的重点,也是本课题研究的目的。 本论文主要从光泵浦源、THz振荡器和探测等方面进行理论和实验研究,以期通过提高泵浦激光功率密度,改善THz激光器腔结构和探索多种探测手段的方法,达到提高泵浦效率和准确探测THz输出激光参数的目的。具体内容如下: (1)从光泵气体THz激光三能级系统的密度矩阵方程出发,分析了强泵浦场和强THz激光场在共振情况下与三能级系统的相互作用,具体讨论了增益系数、量子效率等问题。 (2)在光泵浦源的研究方面,通过光栅调谐方法选择TEA CO2激光谱线,对两个不同能量可调谐TEA CO2激光器的结构和性能进行了系统地实验研究和结果分析。研究C02激光的气体配比对输出激光的功率密度、脉宽和波形等方面的影响,以及激光器的结构、激励能量、气体温度等因素对输出结果的影响。最后,采用合理的气体配比及优化的激光参数,获得了高功率密度、窄脉宽的泵浦激光。 (3)本论文对THz腔的设计和结构进行了理论和实验上的研究,使用的THz谐振腔主要由石英管、GaAs晶体作为输入窗口、石英晶体作为输出窗口及其密封系统组成,该方法具有设计简单、使用灵活等优点,可有效提高泵浦效率。 (4)在完成THz腔装置的基础上,分别利用两个可调谐TEA CO2激光作为泵浦源,着重研究泵浦不同工作物质(甲醇气体和氨气)产生THz激光,对不同泵浦支线、泵浦能量、工作气体气压、腔结构等对THz输出能量、特性及其能量转化效率方面进行实验与分析。对于产生的THz激光能量的测定使用了三种方法:衰减法、标定法和光阑法。得到的THz激光能量均超过了百毫焦。10P(32)支线泵浦氨气能产生300mJ的THz能量。 (5)继成功获取高能量THz激光器之后,本论文研究了THz激光在大气传输和成像方面的应用。在大气中,THz激光可进行短距离传输;在成像方面,分别对金属物在使用和不使用包裹的情况下进行THz成像探测,获得的图像均比较清晰,证明THz光对金属物具有良好的探测效果。 本论文以自主研制成功的可调谐TEA CO2激光泵浦的脉冲THz激光器实验装置为研究平台,通过优化泵浦光源,设计合理THz谐振腔和选择使用不同的THz增益物质,在国内首次成功获得了高能量脉冲THz激光输出,并利用获得的THz激光进行金属探测方面的实验,取得了初步的探测效果。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN248

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