光泵重水亚毫米波激光谱线竞争的分析

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1、学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名：壶瘟日期：M7年岁月>夕日导师签名：罗钨本日期：泖77年厂月一2日中山大学硕士学位论文第一章引言1．1亚毫米波激光技术简介及其发展历史亚毫米波激光辐射频率范围从0．1THz到10THz(1THz=lxl012Hz)，相应的波长范围从309in到3ram，是介于毫米

2、波与红外光之间的电磁辐射区域。其频率在THz范围，波长在远红外范围，所以又称为THz波或远红外辐射。与较低频段的微波相比，亚毫米波有着以下特点：①可利用的频谱范围宽，信息容量大。②易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。③穿透等离子体的能力强。④多普勒频移大，测速灵敏度高。缺点是：①大气中传播衰减严重。②器件加工精度要求高。与光波相比，它利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小n1。在整个电磁波谱中，长波、中波、短波和超短波是最早发展并付诸广泛应用的波段；微波和光波段，其理论和技术已

3、相当成熟，在国防、国民经济和科学研究等方面的应用是人们熟知的；红外波段的发展历史虽短，但由于优质红外探测器的问世，使红外技术迅猛发展，当今红外技术已在军事、工农业、医学和科研事业中有了广泛应用；而毫米波和亚毫米波，特别是亚毫米波还是正在开拓与发展中的波段，亚毫米波的开拓处于微波与红外科学研究的前沿领域乜1。亚毫米波的早期研究从上世纪出就已经开始。M．Czemy发表的HCL的纯转动谱的观测结果以及后来对NH3转动谱和反演分裂谱的探测结果，代表着亚毫米波的分子光谱的研究正式开始。但是接下来，人们在探索亚毫米波领域时遇到了困难：亚毫米波缺乏有效的信号源，其输出强度十分有限口1，并且该区域探测器的灵

4、敏度很低，这些因素导致这一电磁波段的研究发展很缓慢，远远落后于可见光谱区和微波波段。之后，随着基础学科(如固体物理、半导体物理等)及应用科学(如等离子体诊断等)对亚毫米波提出新的要求，使人们增加了对亚毫米波研究的兴趣。亚毫米波傅立叶变化谱仪和亚毫米波气体激光器H1、低温光电导探测器的发明∞1，都推动了亚毫米波技术的发展。七十年代后，张道源(T．Y．Chang)l中山大学硕士学位论文和Bridge等人发明了光泵亚毫米波激光器，该技术使用C02激光器作为泵浦源获得了几十条亚毫米波谱线，使得这一谱线区域内长期缺乏有效辐射源的困难在一定程度上得到了解决，至今仍是产生亚毫米波激光和研究亚毫米波激光理论

5、的重要方法。从此，亚毫米波的研究、开发与利用进入了一个全新的发展时期。第一次报道的光泵亚毫米波激光器是采用CH3F为工作介质的连续可调谐C02激光器。随后，人们相继发现了许多新的介质和新的谱线。截止上世纪九十年代，研究人员发现的连续波工作的光泵亚毫米波激光谱线有4218条，波长从3咄聊到3030／【fm∞1，近年来又有不少新的发现。连续二次泵浦方案又使产生的红外谱线大大增加。已报道的最强谱线是用C02激光器的9P(36)谱线泵浦CH30H产生的1189in的亚毫米波谱线，在其泵浦功率为110W时，连续亚毫米波输出功率达800mW盯1。Izatt等人利用CH3F及其同位素为工作物质，泵谱出在2

6、20一6l毗臃波长范围内多条可调谐的亚毫米波激光谱线阳1。大功率脉冲TEAC02激光器为光泵亚毫米波激光的产生提供了大功率泵浦源∞1，利用光泵亚毫米激光中的受激Raman过程，可以产生可调谐亚毫米波激光。尽管到目前为止这些Raman激光器的调制曲线还不平滑，但有可能利用这些设备去覆盖从40／瞄m到12509m连续的波长范围，用200mJ的C02激光能量产生约1∥200ns到500M／200ns的亚毫米波激光u∞。进入二十世纪九十年代，亚毫米波激光的研究成果及发展趋势主要表现在提高光束质量及测量技术、证明激光理论、探索新的现象几个方面。为了研究新现象，1995年研究人员设计了一个系统，用20个

7、大气压的C02激光器产生的光泵分子气体激光具有很多效应，所用来研究的亚毫米波气体是由一些甲基卤化物、重水和氨的同位素等组成，得到了约1000条激光谱线，波长范围从毫米区域一直到4毗聊n¨。目前国内外已有多个课题组开展了亚毫米波领域的科学研究工作。如美国和欧洲实现了亚毫米波的医学应用；美国的Jefferson实验室实现了大功率亚毫米波光源；伦斯勒理工学院亚毫米波研究中心实现了T射线层析成像技术；在美国的其他实验