基于MOPA泵浦源的高功率气体太赫兹激光技术研究

Optically-pumped terahertz gas lasers (OPTL) are known as a type of practical THz source, due to the characteristics of high-power, excellent beam quality, large frequency range and room temperature operation. However, the output power of OPTLs is difficult to improve further, because of the lack of high power tunable mid-infrared pumping sources and the few studies of the gas THz laser mechanism under high power pumping source..In this investigation, we introduce the latest high power mid-infrared laser technology into the high power OPTLs creatively. A quantum cascade laser (QCL) is used as a seeding light and a radio-frequency CO2 laser is used as a master oscillation power amplifier (MOPA) system. Well Monochromatic pump laser with high cw or peak power and controllable pulse waveform and repetition frequency is obtained by this system. The research contents include: the characteristics of gain, optical spectrum and beam propagation of QCL seeding laser in the MOPA system; the mechanism of THz gas laser under high power pumping laser pulse; the coupling method of OPTLs and the resonator design. The researches under this foundation will provide solutions and experimental basis of high power cw OPTLs and high energy pulse OPTLs with single line and high repetition frequency.

光泵气体太赫兹激光器（OPTL）具有功率高、光束质量好、频率覆盖较宽等优点，且能在室温下长期稳定运行，是目前实用性很高的一种太赫兹源。但是，受限于缺乏高功率可调谐中红外泵浦光源，以及对高能泵浦激光作用下的机理研究不足等因素的制约，OPTL的输出功率难以进一步提高。本课题在比较分析了现有高功率THz源技术的基础上，创造性的将目前最新的高功率中红外激光技术引入到高功率OPTL中，即以中红外量子级联激光器（QCL）作为种子源、结合射频板条CO2激光振荡放大（MOPA）系统得到高平均或峰值功率、脉冲波形和重复频率可控且具有良好单色性的泵浦激光。拟在QCL种子光在MOPA系统中的增益与光谱特性、传输特性、强脉冲激光泵浦气体分子产生强太赫兹辐射的机理、高功率太赫兹激光器的光耦合方式与谐振腔的设计等理论与技术问题上开展研究，为高功率连续OPTL、单谱线高重频高能脉冲OPTL的研制提供技术方案与实验依据。

大功率太赫兹光源的缺乏是制约太赫兹科学研究与应用的重要因素。光泵浦分子气体激光器（OPMTL）是一种能在很宽的太赫兹波段实现百毫瓦以上激光输出的太赫兹光源。为此，本项目提出一种基于MOPA的气体太赫兹激光技术。为解决大功率OPMTL的结构参数设计和输出耦合器件的光学设计，提出了一种计算太赫兹激光器腔内模式的方法；建立了太赫兹激光器波导腔的腔内模式计算模型，基于该模型可以用数值方法对谐振腔参数进行优化，精确控制腔内振荡模式的阶数；在此基础上，提出针对大功率太赫兹激光器的输出耦合器设计方法，该方法采用高阶模振荡，并巧妙的将高阶模振幅的第一零点与输出耦合器小孔边缘重合，可以有效抑制硬边衍射的影响，提高输出光束质量，实验获得了M2因子1.15的准基模输出。为解决大功率太赫兹激光高透过率元器件问题，首次提出了一种在太赫兹波段石英晶体表面制备抗反射亚波长结构的新方法，成功实现了太赫兹宽带增透器件。该方法利用CO2激光在石英晶体上制备了亚波长阵列微结构，最大增透带宽为0.32THz～1.9THz，透射率大于90%。设计并研制了大功率金属波导、石英波导连续OPMTL实验样机两台，并进行了相关参数优化，在2.52THz最高输出功率150 mW、3.11THz最高输出功率31 mW、5.24THz最高输出功率45.6mW，其中2.52 THz频点处光子转换效率8.4%，10 min内功率波动约为±2%，研究工作及相关实验结果为大功率OPMTL的设计、研制与优化提供了参考。最后在自制的OPMTL实验样机上进行了太赫兹高分辨成像实验研究，其中基于5.24THz的成像系统首次实现了太赫兹全息亚波长成像分辨率(0.7λ)，优于40um的成像分辨率远好于当前国际上的最好结果。