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以激光速率方程理论为基础出发点,搭建出三能级系统模型,从而对光泵的CH3OH分子产生THz激光机理和动力学过程做了理论分析。结合实验参量,使用CO2激光器输出的9P(36)支线泵浦CH3OH气体分子产生118. 8μm的THz激光,并在工作气压为10 Pa,温度为常温(20℃)下,分析了三能级粒子数密度变化情况及输出功率波形特征,以及改变缓冲气压、腔内温度和输出镜反射率的情况下,对激光输出功率的影响。结果表明,理论计算结果能较好地反映光泵产生THz激光的过程。
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江 汉 大 学 学 报(自 然 科 学 版)
总第 42 卷
收稿日期:2013-11-25
作者简介:兰 慧(1982—),女,讲师,博士生,研究方向:激光与 THz 技术。
第 42 卷 第 1 期
2014 年 2 月
江 汉 大 学 学 报(自 然 科 学 版)
J. Jianghan Univ.(Nat. Sci. Ed.)
Vol.42 No.1
Feb. 2014
0 引言
太赫兹波(即 Terahertz,1 THz = 10
12
Hz)是
指 位 于 微 波 与红外 光 之 间 的 电磁波 ,其 频率为
0.1~10 THz
[1]
,对应的波长范围为 30~30 00μm,
如图 1 所示。太赫兹波在不同的学科领域有不同
的称呼,在电子学领域被称为亚毫米波,在光谱
学领域又被称为远红外光。
CO
2
激光器泵浦 CH
3
OH 产生 THz 激光的理论分析
兰 慧
1,2
(1.江汉大学 物理与信息工程学院,湖北 武汉 430056;
2.华中科技大学 光学与电子信息学院武汉光电国家实验室,湖北 武汉 430074)
摘 要:以激光速率方程理论为基础出发点,搭建出三能级系统模型,从而对光泵的 CH
3
OH 分子产生
THz 激光机理和动力学过程做了理论分析。结合实验参量,使用 CO
2
激光器输出的 9P(36)支线泵浦 CH
3
OH
气体分子产生 118. 8 μm 的 THz 激光,并在工作气压为 10 Pa,温度为常温(20 ℃)下,分析了三能级粒子数
密度变化情况及输出功率波形特征,以及改变缓冲气压、腔内温度和输出镜反射率的情况下,对激光输出
功率的影响。结果表明,理论计算结果能较好地反映光泵产生 THz 激光的过程。
关键词:速率方程;CH
3
OH 分子;THz;光泵
中图分类号:TN248.2 文献标志码:A 文章编号:1673-0143(2014)01-0040-05
图 1 太赫兹波在电磁波谱中的位置
Fig. 1 Positions of THz wave in the electromagnetic spectrum
天文学
光 泵 太 赫 兹 气 体 激 光 器(Optically Pumped
THz Laser,OPTL)是利用极性分子转动能级间的
粒子数反转产生太赫兹激光。目前使用的光泵太
赫兹气体激光器大致分为脉冲和连续光泵激光器
两种,其中脉冲光泵太赫兹气体激光器的能量可
达到几焦耳,连续光泵太赫兹气体激光器的功率
可达 几百毫 瓦 。第一 台太赫 兹 气体激 光器是 在
1970 年由张道源(T. Y. Chang)发明的,他利用衍
射光栅选支的调 Q CO
2
激光泵浦一氟甲烷(Meth⁃
yl Fluoride,CH
3
F)气 体 ,产 生 了 452、496 和 541
μm 的脉冲太赫兹激光,这项成果不仅标志着光
泵太赫兹气体激光器的诞生,而且已成为产生太
赫兹频段激光重要且实用的方法
[2]
。
由于 CH
3
OH 及其同 位 素分子 输出的 太赫兹
谱线超过 1 500 条,是所有光泵太赫兹增益介质
中最多的。因此,采用连续 CO
2
激光器的 9P(36)
支线泵浦 CH
3
OH 分子 时 ,可以产生增益很高的
118. 8 μm 谱线 ,最高功率达 400 mW,对应的 光
子转换效率为 8. 2%
[3]
。
本文 通过对 光 泵 CH
3
OH 分子的 原 理进行 理
论分析和计算,建立系统三能级理论模型,并对
产生太赫兹激光的动力学过程和激光机理进行理
论分析,对过程中激光上下能级粒子数密度的变
化、泵浦光参量、缓冲气压和输出镜反射率等因
素对激光输出功率产生的影响进行数值模拟,并
确 定 最 优 的 设 计 方 案 使 其 获 得 高 能 量 太 赫 兹
激光。
医疗成像光通信雷达无线通信
射频 微波 太赫兹波 红外光 紫外光 X 射线
γ
射线
可见光
频率/Hz
10
6
10
9
10
10
10
11
10
12
10
13
10
15
10
14
10
16
10
17
10
20
THz Gap
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