混合式单纵模TEA CO2激光及其拍频的研究

论文摘要

频率稳定的单纵模TEA CO2激光是相干探测CO2激光雷达中的关键。本论文就是对单纵模TEA CO2激光器及其锁频技术展开的研究。设计了单纵模TEA CO2激光器锁频系统,确定了利用拍频信号进行偏频锁定的整体方案;从理论和实验上对混合式单纵模TEA CO2激光器进行了研究;最后研究该单纵模CO2激光与本振激光的拍频现象。六温度模型是TEA CO2激光器中的经典数学模型。在六温度模型的基础上,考虑了混合腔中连续增益区的影响,发展了适合于混合式TEA CO2激光器的理论模型。利用该模型,研究了不同的输出耦合率、腔长对脉冲激光波形的影响。在混合腔中连续增益区工作在阈值以上和不工作的情况下,研究了在脉冲激光建立过程中各能级的温度和反转粒子数变化规律;解释了混合腔在连续区工作在阈值以上时,脉冲激光出现时刻提前、功率降低、脉宽展宽等现象,这些现象在实验中得到了验证。实验主要分为两部分:混合式单纵模TEA CO2激光器研究和拍频实验。为了方便调整光栅的角度,编写了振镜控制程序,实现了光栅的单步步进、连续扫描等多种功能。实验中,先后进行了金镜反射混合腔、光栅选支混合腔和光栅选支三镜混合腔,最终得到了单纵模的激光输出。在连续区单独工作时,最大功率达2.5W。通过转动光栅角度,得到10R和10P谱带多条谱线的输出,包括10R14。在连续区工作和不工作情况下,测量了TEA部分放电产生的脉冲波形,该波形与理论部分的模拟相吻合。最后研究了混合腔中连续增益区单独放电时的连续激光与本振激光(10R14支)的拍频。该拍频信号出现的时间段呈周期性,间隔时间从几ms至十几ms不等,持续时间从12ms至20ms不等。获得了TEA部分放电时,脉冲激光的拍频。在使用三镜混合腔并且其连续增益区工作时得到了较好的拍频结果。用压电陶瓷调节总腔长,得到不同的拍频信号。根据得到的实验结果,对锁频系统提出了一些建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景
• 2激光综述'>1.2 单纵模TEA CO₂激光综述
• 2脉冲激光锁频方案介绍'>1.3 CO₂脉冲激光锁频方案介绍
• 2激光技术及脉冲激光器锁频方案总结'>1.4 单纵模TEA CO₂激光技术及脉冲激光器锁频方案总结
• 1.5 课题来源及论文主要工作
• 第2章 锁频方案概述
• 2.1 引言
• 2.2 脉冲激光锁频整体方案
• 2.3 被动稳频措施
• 2.4 混合腔选纵模原理
• 2.5 拍频介绍
• 2.5.1 拍频物理机制
• 2.5.2 激光拍频的条件
• 2.6 压电陶瓷调腔主动稳频原理
• 2.7 本章小结
• 2激光器的理论模型'>第3章 混合式TEA CO₂激光器的理论模型
• 3.1 引言
• 2激光器的六温度模型'>3.2 混合式TEA CO₂激光器的六温度模型
• 2激光器动力学过程'>3.2.1 CO₂激光器动力学过程
• 3.2.2 TEA 部分的Landau-Teller方程组
• 3.2.3 考虑连续增益区后的模型
• 3.3 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 混合腔实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 光栅及振镜
• 4.2.1 光栅
• 4.2.2 振镜
• 2单纵模激光器'>4.3 混合式TEA CO₂单纵模激光器
• 4.3.1 金镜反射混合腔
• 4.3.2 光栅选支混合腔
• 4.3.3 光栅选支单纵模混合腔
• 4.4 本章小结
• 第5章 拍频实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 拍频实验设备
• 5.2.1 压电陶瓷
• 5.2.2 稳频管
• 5.3 拍频光路
• 5.4 拍频结果及分析
• 5.4.1 连续光拍频
• 5.4.2 脉冲激光拍频
• 5.5 腔长微移的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学位论文
• 致谢