可调谐重复频率超短脉冲CO2种子激光技术研究

Repetitive rate CO2 laser with picosecond pulse duration has extensive applications in fundamental research, high-technical product development and national defense engineering, such as particle acceleration, high resolution laser radar, nonlinear optical frequency conversion and laser interaction with matter. The main technical features in this project include: main oscillator laser employing an acousto-optically Q-switch CO2 laser with nanosecond pulse duration, using an optical switch consists of controlling laser withpicosecond pulse durationand semiconductor material, and throughcontrollingtheir sequential accurately, finally, the repetitive and tunable picosecondCO2 laser will be performed. The researchers are mainly focused on the theory analysis of electro-optical delay for acousto-optically Q-switch CO2 laser, optical switch effect and damage threshold of semiconductor material, optical path difference control of oscillator laser and controlling laser between the two semiconductor optical switch. This project is mainly aimed at the research of repetitive rate CO2seed laser with picosecond pulse duration. By solving the mechanical problems and key technologies, a novel approach and technique for realizing ultra-short pulse CO2 seed laser will be explored.This project will establish a foundation for research and application of high peak power and ultra-short pulse duration CO2 laser.

重复频率超短脉冲CO2激光在粒子加速、高分辨率激光雷达、光学非线性频率变换及激光与物质相互作用等一系列基础研究、高科技产品开发和国防工程中具有非常重要的应用价值。本项目的主要技术特点是以声光调Q CO2激光器做主振荡激光光源，利用近红外皮秒控制激光和半导体材料构成光开关，通过精确的时序匹配控制，实现重复频率皮秒CO2种子激光输出。本项目的主要研究内容包括：声光调Q CO2激光器电光延迟机理分析；半导体材料光开关效应的机理及损伤阈值；CO2激光与控制激光在两级半导体光开关间光程差的精密控制。通过开展对重复频率超短脉冲CO2种子激光特性的研究，解决其中涉及到的机理问题和关键技术，探索一种具有原创性和自主知识产权的实现重复频率超短脉冲CO2激光输出的新途径、新技术，为高功率超短脉冲CO2激光器的研究及应用奠定基础。

超强、超短激光与物质相互作用进入一个前所未有的强相对论性和高非线性范畴，在激光粒子加速、激光聚变、等离子体物理、高能物理、材料科学等领域具有重要的应用价值，是国内外科研工作者关注的热点。长波CO2激光波段，受CO2分子振转能级增益线宽限制，难以采用常用的锁模技术获得超短激光，超短CO2种子激光已成为限制长波超强、超短激光发展的技术瓶颈。. 本项目创新地引入了半导体锗光开关技术，在分析半导体锗光生载流子过程及载流子复合扩散机制的基础上，引入直接吸收、自由载流子吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合以及双极扩散等物理过程，基于Drude理论，建立了完善的半导体光开关理论模型，并运用该模型分析了基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO2激光输出的物理机制。基于六温度模型，建立了脉冲CO2激光动力学模型，理论分析了气体配比、腔长、输出镜透过率等因素对CO2激光脉冲输出特性的影响，获得了最佳的脉冲CO2激光输出参数。. 在理论分析基础上，搭建了可调谐声光调Q脉冲CO2激光器实验装置，采用闪耀波长9.6μm的金属原刻光栅，实现CO2激光9-11μm范围内可调谐输出，获得激光谱线75条，重频1kHz时平均功率2.2W，脉宽180ns，激光脉冲峰值功率为12.6kW。声光调Q脉冲激光时间抖动大，与皮秒控制激光时间同步困难。提出了时间响应快的电光调Q腔倒空技术方案，通过提升电光腔倒空CO2激光腔内偏振度和补偿热致退偏效应，将电光腔倒空CO2激光脉冲建立时间稳定在±2ns。基于该电光腔倒空脉冲CO2激光和大能量皮秒控制激光，运用反射式半导体Ge光开关，搭建了超短脉冲CO2激光实验装置。在控制激光能量密度为6mJ/cm2时，获得了脉冲宽度百皮秒量级的超短脉冲，峰值功率约11.5kW，重复频率10Hz。本项目研究成果填补了国内基于半导体光开关的超短脉冲CO2激光技术空白，为进一步开展长波超强、超短脉冲激光技术研究提供有效的种子光技术途径。