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小型可调谐同位素TEA13C16O2激光器研究

2020-11-28阅读(827)

小型可调谐同位素TEA13C16O2激光器研究

论文摘要

TEA CO2激光器工作在9-11μm波段,处于大气窗口,可以广泛应用远距离测污,泵浦远红外激光器以及工业加工等领域。尤其小型可调谐TEA CO2激光器体积小重量轻,可用于多种工作场所,是远距离测污雷达的理想光源。采用CO2同位素作为激光器的工作物质能够大大扩展激光器的光谱范围,当同位素TEA CO2激光器用于测污雷达时,具有两个优越性:1、同位素CO2激光器扩展了CO2激光器的输出波长范围,从而大大增加了可探测物质种类;2、同位素CO2激光的中心谱线偏离12C16O2的中心谱线位置,减少了激光器输出谱线在大气中传输时由于大气中的12C16O2造成的衰减,可以大大增加测污雷达的测量距离。基于这一背景,本论文主要从理论和实验两方面对小型可调谐TEA13C16O2激光器进行了研究。本文的理论计算主要从两个方面研究了TEA13C16O2激光器的输出特性:1、采用离散变量表象（DVR）方法计算了12C16O2分子与13C16O2分子的振转能级,0001-1000与0001-0200量子跃迁谱线位置与相应自发辐射系数,并根据自发辐射系数计算了不同激光谱线的小信号增益系数。通过对比可以发现对于12C16O2分子,0001-1000波段的小信号增益与0001-0200波段的小信号增益相差不大,而对于13C16O2分子,0001-1000波段的小信号增益大约是0001-0200波段的小信号增益的两倍。2、应用增益开关六温度方法计算了小型TEA 13C16O2激光器的腔内光强变化,激光输出脉冲波形,反转粒子数密度。分析了在不同工作气压,气体温度,非解离系数及电子泵浦密度条件下的TEA13C16O2激光器的脉冲能量变化趋势。本文的实验研究由两个阶段构成,1、由于激光器能量输出水平影响小型可调谐TEA CO2激光器输出谱线支数,本文通过增大激活体积,改变激励电路,改变峰值电容与储能电容的容量,改变工作气压,添加附加气体这几种方式来提高激光器输出。在峰值电容为5.4nf,储能电容为24.3nf时,选用工作气压为85.3kPa,配气比为CO2: N2: He=1: 1: 3的混合气体,获得最高输出能量540mJ。峰值电容为2.28nf,储能电容为13.5nf时,选用工作气压为66.6kPa,配气比为CO2: N2: He=1: 1: 3的混合气体,在最高输出能量约为409mJ时,测得四个波段共69条谱线输出。研究了附加气体H2与Xe对TEA CO2激光器输出的影响,发现加入适量的H2可以使激光器输出能量获得增加,当加入Xe气时,激光器输出能量未获得改善。2、在第一阶段的实验基础上,选择峰值电容为2.28nf,储能电容为13.5nf,进行同位素TEA 13C16O2激光器的输出实验研究,在64kPa气压下获得了最高约357mJ的能量输出与51支谱线输出。研究了附加气体H2对TEA 13C16O2激光器输出特性的影响,在气体配比13C16O2: N2: He=1: 1: 3+1% H2时,在80kPa的工作气压下,获得最高输出能量为407mJ,输出谱线57条,使激光器输出能量与输出谱线均获得增加。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 论文背景
  • 1.2 国内外发展状况
  • 2 激光器的研究进展'>1.2.1 同位素CO2激光器的研究进展
  • 2 振转能级的研究进展'>1.2.2 同位素CO2振转能级的研究进展
  • 1.3 本文主要研究内容
  • 13C16O2激光器与振转光谱理论基础'>第2章13C16O2激光器与振转光谱理论基础
  • 2.1 引言
  • 13C16O2 激光器的基本原理'>2.2 同位素13C16O2激光器的基本原理
  • 13C16O2 分子的振动模式'>2.2.1 同位素13C16O2分子的振动模式
  • 13C16O2激光的激发'>2.2.213C16O2激光的激发
  • 13C16O2 分子振转能级的计算'>2.3 同位素13C16O2分子振转能级的计算
  • 2.3.1 分子系统的薛定谔方程的求解过程
  • 2.3.2 三原子分子的振转哈密顿算符
  • 2 分子的势能函数表达式'>2.3.3 CO2分子的势能函数表达式
  • 2 分子的偶极矩函数表达式'>2.3.4 CO2分子的偶极矩函数表达式
  • 2.4 本章小结
  • 13C16O2分子振转光谱的计算'>第3章13C16O2分子振转光谱的计算
  • 3.1 引言
  • 3.2 离散变量表象（DVR）计算方法
  • 13C16O2分子体系哈密顿算符的确定'>3.2.113C16O2分子体系哈密顿算符的确定
  • 3.2.2 基函数的确定
  • 3.3 计算结果分析
  • 3.3.1 振转能级的计算
  • 01-1000 与0001-0200 波段跃迁波数与跃迁强度的计算'>3.3.2 0001-1000 与0001-0200 波段跃迁波数与跃迁强度的计算
  • 3.3.3 自发辐射系数的计算
  • 3.3.4 小信号增益系数的计算
  • 3.4 本章小结
  • 13C16O2激光器动力学模拟'>第4章 TEA13C16O2激光器动力学模拟
  • 4.1 引言
  • 4.2 六温度振动动力学
  • 13C16O2对称振动模V1模的动能密度E1随时间的变化'>4.2.113C16O2对称振动模V1模的动能密度E1随时间的变化
  • 13C16O2弯曲振动模V2模的动能密度E2随时间的变化'>4.2.213C16O2弯曲振动模V2模的动能密度E2随时间的变化
  • 13C16O2反对称振动模V3模的动能密度E3随时间的变化'>4.2.313C16O2反对称振动模V3模的动能密度E3随时间的变化
  • 4 随时间的变化'>4.2.4 N2 分子振动能量密度E4随时间的变化
  • 13C16O 分子振动能量密度E5随时间的变化'>4.2.513C16O 分子振动能量密度E5随时间的变化
  • 4.2.6 单位体积的总气体动能密度E 随时间的变化
  • 4.2.7 激光器腔内光强I 随时间的变化
  • 4.3 增益开关六温度方法
  • 4.4 增益开关六温度方法计算结果
  • 4.4.1 气压的影响
  • 4.4.2 气体温度的影响
  • 4.4.3 非解离系数的影响
  • 4.4.4 电子泵浦密度的影响
  • 4.5 本章小结
  • 2激光器的输出性能提高的实验研究'>第5章 小型可调谐TEA CO2激光器的输出性能提高的实验研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验装置
  • 5.3 含有峰值电容的激励电路
  • 5.4 无峰值电容激励电路
  • 5.5 本章小结
  • 13C16O2激光器的实验研究'>第6章 同位素TEA13C16O2激光器的实验研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验装置
  • 13C16O2 激光器实验'>6.3 同位素TEA 13C16O2激光器实验
  • 6.4 附加气体的作用
  • 2 激光器的辅助气体添加实验'>6.5 TEA CO2激光器的辅助气体添加实验
  • 2 激光器的氢气附加实验'>6.5.1 TEA CO2激光器的氢气附加实验
  • 2 激光器的氙气附加实验'>6.5.2 TEA CO2激光器的氙气附加实验
  • 13C16O2 激光器氢气附加实验'>6.6 同位素TEA 13C16O2激光器氢气附加实验
  • 6.7 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 个人简历

    • 相关论文文献

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