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紧凑型光泵气体太赫兹激光器及负曲率空芯光纤的研究

紧凑型光泵气体太赫兹激光器及负曲率空芯光纤的研究

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作者：张果天津大学

学位级别：硕士

光泵气体太赫兹激光器(optically pumped gas THz laser,OPTL)是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,在生物医疗、安全检查、太赫兹雷达等领域具有重大的应用价值。本文从镀金石英波导的设计出发,结合泵浦激光器的搭建和太赫兹激... 详细信息

光泵气体太赫兹激光器(optically pumped gas THz laser,OPTL)是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,在生物医疗、安全检查、太赫兹雷达等领域具有重大的应用价值。本文从镀金石英波导的设计出发,结合泵浦激光器的搭建和太赫兹激光器谐振腔的设计,获得了紧凑型、高功率的OPTL。并在此基础上对太赫兹光纤激光技术进行了研究,包括基于负曲率空芯光纤的太赫兹传输光纤以及光泵气体太赫兹光纤激光器(optically pumped gas THz fiber laser,OPTFL)。本文的主要内容如下:1.采用速率方程理论,对光泵浦甲醇气体的动力学过程进行了分析。搭建了高功率、高性能的连续可调谐CO激光器作为OPTL的泵浦源,其输出谱线可达82条,在9P(36)支谱线处最高输出功率为80W;搭建了基于镀金石英波导的紧凑型OPTL系统。在9P(36)支的CO激光泵浦甲醇气体的条件下,泵浦激光功率为40 W时,获得了输出功率为110 mW,频率为2.5 THz的激光输出,同时5分钟太赫兹激光功率稳定在5%以内。2.为了实现太赫兹波的高效传输,设计了一种具有椭圆包层管的负曲率空芯光纤。理论分析了太赫兹波在负曲率空芯光纤中的传输特性,当椭圆包层管经合理的设计后,其基模损耗低于0.45 dB/m,高阶模损耗达1.88 dB/m,此时具有较低的传输损耗和良好的单模特性。3.为了进一步增加OPTL的紧凑性,研究了OPTFL技术。结合速率方程理论和空芯光纤传输理论,设计了一种基于负曲率空芯光纤的长腔型OPTFL,并分析了影响OPTFL能量转换效率的因素。理论计算表明在负曲率空芯光纤的弯曲半径为30 cm、长度为10 m、工作气压为250 m Torr、泵浦激光功率为10 W的条件下,太赫兹激光的输出功率可达百毫瓦量级。

关键词：太赫兹波光泵气体太赫兹激光器负曲率空芯光纤单模太赫兹光纤光纤激光器

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微腔型光泵气体太赫兹激光器及空芯反谐振光纤的研究

微腔型光泵气体太赫兹激光器及空芯反谐振光纤的研究

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作者：张尧天津大学

学位级别：硕士

光泵气体太赫兹激光器是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,主要利用高功率CO激光泵浦太赫兹激光增益介质获得有效的太赫兹激光输出,但激光器整体依然需要较大的谐振腔体积,限制了光泵气体太赫兹激光器在实际中的进一步应用。因... 详细信息

光泵气体太赫兹激光器是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,主要利用高功率CO激光泵浦太赫兹激光增益介质获得有效的太赫兹激光输出,但激光器整体依然需要较大的谐振腔体积,限制了光泵气体太赫兹激光器在实际中的进一步应用。因此缩小太赫兹激光谐振腔体积,研制微腔型光泵气体太赫兹激光器对光纤化激光器和进一步发展太赫兹技术是极其必要的。空芯反谐振光纤作为一种新型微结构空芯光纤,具有较大的纤芯尺寸和在太赫兹波段较好的传输性能,有望作为光泵气体太赫兹激光器谐振腔实现激光器光纤化,因此对空芯反谐振光纤及其器件的研究具有重要意义。本文的主要内容如下:1.设计并搭建了高功率连续可调谐CO激光器作为泵浦源,测得其输出谱线达82条,在9P(36)支下最高输出功率达80 W,30分钟输出功率稳定性在±2%以内;设计并搭建了基于小尺寸石英管作为太赫兹激光谐振腔的微腔型光泵气体太赫兹激光器,通过优化谐振腔结构,对比不同输出镜下的太赫兹激光输出特性,最终利用10 W的9P(36)支CO激光泵浦甲醇气体,选用4 mm小孔镀金石英晶体作为太赫兹激光输出镜片,最高获得5.4 m W的2.5 THz激光输出,能量转换效率为5.4×10。2.选用椭圆形包层管作为光纤内包层设计了结构简单的空芯反谐振光纤,通过改变包层管内径大小,发现包层管和纤芯之间出现折射率诱导模式耦合现象。具有七个包层管的空芯反谐振光纤在2.5 THz的传输频率下可以获得5.36 d B/m的高阶模损耗峰值。随后将光纤外包层内缩,增大包层管内模式与外包层的接触面积,可以获得14.36 d B/m高阶模损耗峰值,进一步提高了高阶模抑制作用。3.通过剥离部分外包层和扩大内包层管的间隙,研究了改变空芯反谐振光纤内外包层结构对传输特性的影响,结果表明剥离部分外包层,并在一定范围扩大内包层管间隙可以在不改变光纤传输特性的情况下,造成纤芯的模式偏移,从而利用模式泄漏耦合机制实现了双芯反谐振光纤的定向耦合。通过改变纤芯距离和纤芯间的间隙大小,最终在2.5 THz的传输频率下实现了0.72 m的定向耦合。

关键词：太赫兹波光泵气体激光器空芯反谐振光纤单模太赫兹光纤光纤耦合器

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