位于大气透明窗口的红外可调谐激光,不仅具有较高的大气透过率,而且还覆盖了众多原子及分子的吸收峰,因而在环境监测,生物医疗,安全检查,红外遥感和军事雷达等诸多民用和军事方面有重要应用。而目前除在9-11μm红外区域内,拥有技术较为成熟的C02激光光源之外,在3-5μm中红外波段和远红外太赫兹波段仍缺少能够高效输出,并且能宽范围调谐的激光辐射源。针对上述重要需求,本文将主要研究基于C02激光调谐及频率变换技术,产生从中红外到远红外太赫兹范围的可调谐激光,具体内容包括以下几个方面。为了了解C02激光的产生机理,利用C02激光动力学六温度模型对脉冲放电C02激光器的动力学行为进行了较全面的模拟分析。不仅考虑了激光器工作气体配比、气压、C02气体分解、输出耦合镜反射率、环境温度等诸多因素对激光脉冲特性的影响,并且理论计算结果与实验测量的C02激光脉冲特性符合较好。同时,也模拟了C02激光器输出脉冲的纵模结构,以及考虑在光栅调谐时不同支线之间脉冲输出特性的差异,使模拟结果能够为激光器工作参数的进一步优化设计提供理论依据。在研究六温度动力学模型理论的基础上,我们建立了一台短脉冲放电、可调谐C02激光器。该激光器可以在9.2～10.8μm之间调谐输出,输出最大单脉冲能量520 mJ。同时,对激光器的工作气体参数,调谐性能等相关参数进行了详细分析。随后,我们设计并实现了在同一谐振腔中输出双波长的可调谐脉冲C02激光器,且激光脉冲能够同步输出。上述可调谐脉冲C02激光器的建立为之后非线性光学频率变换的研究提供了基本泵浦源。另外,我们将现有的脉冲放电C02激光器改造成了能够直接输出5.3 gm中红外激光的常温CO脉冲激光器,为进一步研究脉冲放电CO激光器作出了实验上的初步探索。采用可调谐C02激光的频率变换技术获得了中红外激光辐射,在AgGaS2、AgGaSe2和GaSe三种晶体中分别实现了C02激光的倍频输出。当9.6μm基频光能量为100 mJ时,在AgGaSe2晶体中得到最大转换效率为6.3%。随后,利用AgGaSe2晶体输出的倍频激光,分别在Ⅱ类相位匹配AgGaSe2和GaSe晶体中产生了C02激光的三倍频和四倍频。其中,AgGaSe2晶体中三倍频转换效率为0.3%,GaSe晶体中的三倍频和四倍频转换效率分别为0.1%和0.02%。为了评价其调谐能力,实验中也实现了对10.6μm激光二倍频、三倍频和四倍频的产生。通过泵浦激光波长的调谐,C02激光的二倍频、三倍频和四倍频能够将激光频率变换到2.3-5.4μm调谐范围内,实现覆盖整个中红外波段。并且,对上述几种晶体中谐波产生过程的相位匹配特性进行了理论分析。根据C02激光差频产生太赫兹辐射在转换效率上的优势,从理论上分析研究了C02激光在几种太赫兹非线性光学晶体中差频的相位匹配特性,对差频过程的相位匹配角度,调谐带宽等重要参数进行了计算分析,并对几种晶体的差频性能进行了评估。最后,利用我们自行研制的双波长CO2激光器在GaAs晶体中差频获得了在70-2706μm(0.11～4.15 THz)宽范围内可调谐输出的窄带太赫兹脉冲辐射。在236.3μm处获得了最大输出单脉冲能量为2.1μJ,对应峰值功率35 W,其外部功率转换效率为0.0018%,光子转换效率达0.04%。当激光器在重复频率10 Hz工作条件下,太赫兹辐射平均功率可达10μW。
