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具有时间同步性的双波长可调谐TEA CO_2激光器的实验研究及其理论分析

李忠华  
【摘要】: 可调谐TEA CO_2激光器被广泛应用于激光分离同位素和多光子对物质的激发。实验表明双频激光脉冲的分离效果要比单频激光脉冲的分离效果好的多。在这里我们设计了一种新型的双频激光器,这种激光器不仅具有良好的空间重叠性,而且具有较好的时间同步性,并且可以通过调谐两光栅输出不同波长的组合谱线。本文给出了这种激光器的实验装置和理论分析,并通过所得到的实验数据分析了激光器的性能。 文章首先介绍了该激光器的实验装置。激光器由两个光栅—平面腔组成,两光栅一前一后放置,在空间上具有重叠性。两谐振腔相互利用,通过锗镜耦合输出双波长谱线。腔的组成不复杂,调谐也比较方便。通过实验发现,两光栅的面积对输出光斑的空间重叠性影响比较大,在一定范围内调谐光栅的面积可以改善输出光斑的空间重叠性。同时两光栅有效面积的比例也影响到输出两激光脉冲的能量比例。一般来说有效面积较大的光栅对应的谱线较强。在实验中我们通过调节两光栅的有效使用面积,将两谱线的能量比例控制在1∶1左右。实验发现,光栅角度的失谐对两脉冲的时间同步性影响较大。在一定范围内调谐光栅角度,可以改善两脉冲的时间同步性。我们通过调节光栅角度,这两个输出脉冲的时间间隔可以从1000ns减小到400ns。 然后我们在原有激光器的基础上做了一些改进,改进后的腔具有的优点有:腔的调整因素有所增加,比如镜的失调,腔的长度;同时可以改变两谐振腔的相互利用情况,以便更有利于双频激光的同步运行。实验证明,这种腔型的激光器缩小了两输出脉冲的时间间隔,使得两脉冲的最小输出间隔可以达到200ns。根据得到的实验数据分析了这种激光器的各种性能,着重对影响输出脉冲空间重叠性和时间同步性的因素进行了分析。 最后从理论上来分析了双波长运行的规律。通过求解粒子数和强度的速率方程推导出了脉冲增益发生时间的表达式,根据两脉冲增益发生的时间差,得到两脉冲输出时间延迟的计算模型。同时分析了失谐情况下谐振腔损耗的情况。


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