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用于超短脉冲CO_2激光的半导体光开关理论建模与数值仿真

高月娟  
【摘要】:超短脉冲CO_2激光不仅是研究固体表面等离子体和光化学等的有力工具,而且在粒子加速等领域也具有明显的优势。半导体光开关法具有输出稳定性高,便于装调,可实现皮秒甚至飞秒量级的脉宽可控输出等独特优势,是获得脉宽可调超短脉冲CO_2种子激光的较优选择,但国内还未见利用半导体开关技术在10.6μm波段实现皮秒量级种子光输出的报道。目前,半导体光开关技术实现超短脉宽CO_2种子激光输出方面的理论并不完善,尤其是两级半导体光开关还未见完整的理论及仿真分析报道。本文主要对基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO_2激光输出的物理机制进行理论研究及数值模拟分析。首先,对激光照射下半导体表层及内部非平衡载流子的产生、扩散及复合机制进行全面分析,发现直接吸收、自由载流子吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合、双极扩散及高能载流子弛豫等物理过程是决定光开关表面等离子体密度变化的重要因素,在理论建模中不可忽视。然后通过深入研究并引入上述物理过程,完善了半导体光开关理论模型,且给出了单级及两级光开关理论模型详细的数学表达及数值解析结果。其次,利用本文改进理论模型对单级反射光开关及两级半导体光开关产生超短CO_2激光脉冲机制进行了数值模拟及分析,结果显示:本文改进的理论模型仿真结果与已报道的实验结果基本一致,表明了模型的合理性与正确性。最后,利用上述数值仿真详细剖析了控制光脉冲参量对单级反射光开关输出百皮秒脉宽CO_2激光脉冲的影响,并深入研究了两级半导体光开关输出超短CO_2光脉冲质量的主要影响因素。结果显示:控制光脉冲参量对单级反射光开关及两级半导体光开关工作效率及其输出的超短CO_2光脉冲质量均有较大影响,且延迟时间是决定两级光开关输出超短CO_2光脉冲宽度的主要影响因素。


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