气体中的受激拉曼散射研究及其在激光波长转换中的应用

论文摘要

受激拉曼散射（SRS）作为一种受激散射过程,具有与激光辐射完全相同的特性,可以用于产生新的相干辐射资源,已成为激光波长变换的一种重要方法。本论文采用脉冲三倍频Nd:YAG激光在两种带宽模式下对甲烷、氢气和氧气中的受激拉曼散射进行了研究。主要研究内容如下:宽带（1cm-1）泵浦模式下,后向散射由于增益系数要远比前向SRS的小得多,故完全被抑制了。在这种模式下,本文主要考察了前向SRS中各级Stokes之间的能量分布及其转换效率随气体压力和泵浦能量的变化情况;并讨论了四波混频在高级Stokes产生中的作用和惰性气体对多级Stokes转换的影响。对于CH4、H2和O2,其前向一级Stokes的最大量子转换效率分别可达79%、83%和29.6%,基本上都超过文献中报道的相应结果。单纵模(0.003cm-1)泵浦模式下,后向散射由于其增益系数大大变强,因而可以获得较高的转换效率。在甲烷和氢气中,后向散射主要是后向SRS,其最大量子转换效率分别可达64.7%和58.6%;而在氧气中则主要是受激布里渊散射,其最大转换效率可达74%。在该模式下,本文重点对前向和后向受激散射之间的竞争进行了研究;并讨论了热效应和惰性气体对这种竞争的影响。此外,本文还建立了一个准二维的数值模型,从理论上对前向和后向SRS之间的竞争进行了深入研究;并利用该模型,成功地模拟了低脉冲频率下甲烷中的实验结果,同时解释了其他条件下的相应结果。论文最后部分针对高功率连续波激光的拉曼转换,提出了一种反馈式多程池方案;并以此方案为模型,首次从理论上对高功率CW-COIL在氧气中的拉曼转换进行了数值模拟与概念设计。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 受激拉曼散射的发展历史和研究意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.3 受激拉曼散射的研究现状
• 1.3.1 脉冲激光泵浦的受激拉曼散射
• 1.3.2 连续波激光泵浦的受激拉曼散射
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 受激拉曼和布里渊散射的基本理论
• 2.1 光散射现象的一般性描述
• 2.2 拉曼散射的基本概念与物理解释
• 2.2.1 拉曼散射的基本概念与现象描述
• 2.2.2 自发和受激拉曼散射的经典解释
• 2.2.3 自发和受激拉曼散射的唯象解释
• 2.2.3.1 自发拉曼散射
• 2.2.3.2 受激拉曼散射
• 2.3 受激拉曼散射的基本理论
• 2.3.1 受激拉曼散射的经典电磁理论处理
• 2.3.2 稳态和瞬态受激拉曼散射
• 2.3.2.1 稳态SRS理论
• 2.3.2.2 瞬态SRS理论
• 2.3.3 前向和后向受激拉曼散射及其影响因素
• 2.3.3.1 多普勒加宽的不同影响
• 2.3.3.2 泵浦激光线宽的不同影响
• 2.3.3.3 泵浦光与斯托克斯光相互作用方向的的不同影响
• 2.4 受激布里渊散射的基本理论
• 2.4.1 布里渊散射的基本概念与现象描述
• 2.4.2 受激布里渊散射的基本理论
• 2.4.2.1 稳态SBS的增益方程
• 2.4.2.2 瞬态SBS的增益理论
• 2.5 影响SRS的其他非线性过程
• 2.5.1 四波混频
• 2.5.2 热散焦效应
• 2.5.3 激光诱导击穿
• 参考文献
• 第三章 宽带激光泵浦甲烷中的多级斯托克斯产生
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验结果与分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 FWM在甲烷高级Stokes产生中的作用
• 3.4.2 惰性气体对甲烷中多级Stokes转换的影响
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 窄带激光泵浦甲烷中的前向和后向受激拉曼散射
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置
• 4.3 数值模型
• 4.3.1 速率方程
• 4.3.2 数值求解方法
• 4.3.3 光束聚焦模型与横向强度分布
• 4.4 实验结果
• 4.5 讨论
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 氢气中的受激拉曼散射
• 5.1 引言
• 5.2 实验装置
• 5.3 氢气中的拉曼线宽与增益系数
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 宽带激光泵浦的SRS
• 5.4.2 窄带激光泵浦的SRS
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 氧气中的受激拉曼与布里渊散射
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 宽带泵浦模式
• 6.3.2 窄带泵浦模式
• 6.4 讨论
• 6.4.1 泵浦线宽对前向与后向SRS和SBS的影响
• 6.4.2 惰性气体对氧气中SRS和SBS的影响
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 连续波高功率激光拉曼转换的数值模拟与概念设计
• 7.1 引言
• 7.2 高功率CW激光拉曼转换的设想方案
• 7.2.1 设想方案介绍
• 7.2.2 多程池设计理论简介
• 7.3 高功率CW激光拉曼转换的理论模型
• 7.3.1 模型方程描述
• 7.3.2 光束聚焦模型
• 7.3.3 基态粒子数的抽空效应
• 7.4 高功率CW激光拉曼转换的数值研究
• 7.4.1 CW激光拉曼转换的参数特性研究
• 7.4.2 基态粒子数抽空效应对高功率CW激光拉曼转换的影响
• 7.5 反馈式多程拉曼池的参数设计
• 7.6 小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 作者简介及发表文章目录
• 致谢