可调谐CO2激光泵浦CH3OH气体THz激光器的研究

作     者：闫鹏吉 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：耿利杰

授予年度：2024年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：太赫兹波 可调谐CO2激光器 CH3OH气体 光泵气体太赫兹激光器 半共焦谐振腔 

摘      要：太赫兹（Terahertz,THz）波具有非破坏性、高穿透性、“指纹光谱识别等特点,在生物医学、无损检测、安全检查、无线通信以及军事等领域都具有广泛的应用。光泵气体THz激光器是一种有效的产生相干辐射THz光波的方法,具有输出功率高、光束质量好、单色性好、可调谐、室温工作等优点,是太赫兹领域的研究热点之一。该方法是利用中红外激光器作为泵浦源,通过特定的气体介质转动能级跃迁,在THz谐振腔的作用下实现THz激光的产生。本文提出了一种高效的小孔耦合THz激光谐振腔,以CH3OH气体为激光工作介质,以自主开发的高功率连续波可调谐CO2激光器作为泵浦源,系统的开展了连续波光泵CH3OH气体THz激光器的输出性能研究。 泵浦激光器的性能和THz谐振腔的结构是影响光泵气体THz激光器输出性能的关键因素。在光泵气体THz激光器的泵浦源研究方面,本文设计并搭建了可调谐连续波CO2激光器。首先,采用Fabry-Pérot谐振腔结构,研究了CO2激光管管壁温度、放电电流以及输出耦合镜的透射率对CO2激光输出功率的影响。其次,采用光栅调谐谐振腔结构,研究输出耦合镜的透射率和放电电流对CO2激光器可调谐性和输出功率的影响。在输出镜透过率约为22%的条件下,获得了78条支线的可调谐输出,强支10P（20）支线（10.59μm）的最大输出功率约为55.5 W,激光光斑半径约为3.8 mm,光束质量M2=1.74。最后,在激光器输出9P（36）支线（9.69μm）时,测试泵浦源的性能,获得最高42.3W的功率输出,为光泵气体THz激光器输出波长118.8μm的激光提供了良好的泵浦源。 在光泵气体THz激光器的谐振腔结构的研究方面,本文提出了一种基于小孔耦合的半共焦THz激光谐振腔,设计并搭建了光泵气体THz激光器。以CH3OH气体为增益介质,9P（36）支线的CO2激光为泵浦激光,开展了CH3OH气体吸收率的测定,以及工作气体压强和泵浦激光的功率对THz激光输出功率影响的实验研究。在泵浦功率为35 W,工作气压34 Pa的条件下,得到最高20.9 mW的118.8μm的THz激光输出。实验中获得最高的光子转化效率为4.68‰。