快調(diào)諧TEA CO2單縱模激光及注入鎖頻技術(shù)研究.pdf

1、單縱模TEA CO2激光器因其具有窄線寬、高功率、可調(diào)諧、對(duì)人眼安全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光泵浦遠(yuǎn)紅外激光器、分子光譜學(xué)、速度測(cè)量以及大氣遙感監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域中。當(dāng)其用于CO2差分吸收雷達(dá)（DIAL）時(shí)，由于具有極好的單色性和相干性，可以實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。與直接探測(cè) CO2 DIAL相比，外差探測(cè)CO2 DIAL探測(cè)距離更遠(yuǎn)，探測(cè)靈敏度更高，并且可以同時(shí)獲得目標(biāo)的速度信息，這些優(yōu)點(diǎn)使得國(guó)外在二十世紀(jì)八十年代就開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究。外差探測(cè)CO2 DI

2、AL的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要求使用頻率穩(wěn)定的單縱模TEA CO2激光器，作為發(fā)射機(jī)的振蕩源，鑒于此，本文從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)TEA CO2激光器獲得單縱模激光技術(shù)及頻率鎖定技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　首先導(dǎo)出了可以描述TEA CO2激光器動(dòng)力學(xué)過(guò)程的六溫度振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)模型，利用該模型對(duì)單縱模TEA CO2激光器的輸出特性進(jìn)行了分析，討論了混合氣體壓強(qiáng)、氣體成分、氣體溫度、輸出耦合鏡反射率以及諧振腔長(zhǎng)對(duì)輸出激光的影響，為TEA CO2激光器的優(yōu)化設(shè)

3、計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　研制了一臺(tái)高重復(fù)頻率可調(diào)諧TEA CO2激光器。對(duì)激光器的電極面型、預(yù)電離方式以及放電電路進(jìn)行了分析和計(jì)算，建立了CLR放電電路的理論模型，并且根據(jù)激光器實(shí)際工作參數(shù)利用該模型對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行了模擬，揭示了氣體激光器脈沖放電的規(guī)律。當(dāng)激光器單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可獲得四個(gè)譜區(qū)共77支譜線的調(diào)諧輸出，最強(qiáng)支譜線基橫模輸出能量達(dá)到350mJ，M2=1.21。
　　為了獲得較大范圍內(nèi)單縱模激光的高功率可調(diào)諧輸出，提出

4、一種多干涉儀諧振腔結(jié)構(gòu)。從三鏡腔實(shí)現(xiàn)單縱模激光的機(jī)理出發(fā)，基于場(chǎng)方程和自洽場(chǎng)理論，對(duì)采用多干涉儀諧振腔獲得單縱模激光的特性進(jìn)行了分析和計(jì)算，討論了影響激光器選單縱模能力的因素。實(shí)驗(yàn)上采用這種諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了TEA CO2單縱模激光的輸出，得到10.6μm單縱模激光最大輸出能量為324mJ，激光器可以實(shí)現(xiàn)69支譜線單縱模激光的調(diào)諧輸出。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，與其它的干涉型諧振腔相比，使用多干涉儀諧振腔得到的單縱模激光的能量和調(diào)諧范圍均有較大

5、提高。
　　為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模激光的快速調(diào)諧輸出，進(jìn)行了快調(diào)諧TEA CO2激光器注入鎖頻技術(shù)的研究。理論上將六溫度振動(dòng)模型與注入場(chǎng)方程耦合，考慮轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)及諧振腔模式間的相互作用，得到了注入鎖頻TEA CO2激光器的理論計(jì)算模型，并采用此模型計(jì)算了不同條件下注入鎖頻激光器的輸出特性。實(shí)驗(yàn)上首先采用扭轉(zhuǎn)模腔實(shí)現(xiàn)了弱支譜線單縱模激光的輸出，9.77μm單縱模激光的輸出能量達(dá)到47mJ，有效地解決了 TEA CO2激光器中增益較弱譜