连续波抽运气体波导产生太赫兹激光理论的研究.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 2 (2014) 020702 连续波抽运气体波导产生太赫兹激光的理论研究 张会云 刘蒙 张玉萍 申端龙 吴志心 尹贻恒 李德华 (山东科技大学理学院, 青岛市太赫兹技术重点实验室, 青岛 266510) ( 2013 年8 月26 日收到; 2013 年11 月9 日收到修改稿) 基于速率方程理论, 建立了光抽运气体波导产生太赫兹 (THz) 激光的能量转化模型, 理论分析并求解得 到抽运光吸收系数、THz 小信号增益系数以及THz 输出功率表达式. 计算结果表明, THz 输出功率随工作物 质气压的升高先增加后逐渐减少, 随抽运功率的增加、输出镜反射率的减小而增加; 最佳工作气压随抽运功率 的增大而增大; 激发态粒子数以及THz 光子通量随波导截面径向逐渐减小, 而THz 小信号增益系数逐渐增 加; 抽运饱和、弱抽运吸收与激发态工作物质对THz 激光的吸收是限制激光转化效率提高的根源; 基于该模 型的计算结果与相关文献中的实验数据符合较好. 关键词: 太赫兹, 连续波, 光抽运, 波导 PACS: 07.57.Hm, 42.72.Ai, 42.55.–f, 42.82.Et DOI: 10.7498/aps.63.020702 与开腔THz 激光器相比, 波导激光器体积紧 1 引 言 凑, 波导腔的横截面小, 易于保持高抽运光强和增 益系数, 波导壁热量散失速率大, 能减少热弛豫带 太赫兹(THz) 波在成像、医学诊断、环境科学、 来的负面影响, 有利于消除振动瓶颈效应. 已有很 信息通信及基础物理研究领域有广阔的应用前 多文献研究光抽运波导中气体分子产生THz 激光, 景13 , 但这些应用很多都为没有合适的THz 源 但文献报道主要集中在实验研究方面1516 , 相应 所困扰. 受激辐射产生的激光具有良好的单色性、 的理论分析很少, 对波导中激光能量转化的机制以 方向性和相干性, 依据该原理运用红外激光抽运能 及限制转化效率的因素还没有准确的认识, 实验研 级间距小于1 kT 的活性气体分子可以产生THz 激 究尚缺乏系统的理论模型作支撑和指导. 光. 目前, 光抽运气体分子产生THz 是得到光束质 本文首先建立连续波抽运THz 激光能量转化 量好、输出功率高、并能在常温下持续、稳定输出的 实用THz 源的最佳方法45 , 已实现最大平均输出 模型图, 从速率方程理论出发, 对连续波光抽运 功率800 mW (波长118.8 m), 对应光-光转换效 气体波导产生THz 激光的原理进行了理论分析, 率高达0.727%6 7 给出各个物理量的计算公式并构成分析与计算 , 远高于光学差频 、光学参量振 8 的体系. 然后, 选取9P36 支线抽运甲醇气体产生 荡以及光电导 、光整流等方法的光-光转化效率, 9 1012 118.8 m THz 激光为例进行数值计算, 将数值计 在THz 成像 、通信 等方面已有应用. 然而 这种辐射源在体积大小、重量、效率、可靠性、维护 算结果与文献中的实验数据对