Введение 4
1 Техника ТГц-диапазона и области её применения 6
1.1 Общие сведения о ТГц-излучении 6
1.2 Свойства ТГц-излучения 10
1.3 Области применения ТГц-излучения 11
1.4 Техника ТГц-диапазона 14
1.5 Детектирование сигнала в ТГц-диапазоне 15
1.6 Генерирование сигнала в ТГц-диапазоне 23
2 Модель молекулярного лазера ТГц-диапазона с оптической накачкой
излучением СО2-лазера 26
2.1 Актуальность решения поставленных задач 26
2.2 Механизм инверсии населённостей в молекулярном ТГц-лазере с
оптической накачкой 28
2.3 Модель оптического резонатора 31
3 Экспериментальное исследование эффективности возбуждения активной
лазерной среды на метаноле с использованием оптической накачки 33
3.1 Схема экспериментальной установки 33
3.2 Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение 36
Заключение 38
Список использованных источников 39
Приложение А 41
Приложение Б 43
Терагерцовым (ТГц) излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,3 до 10 ТГц, т.е. 0,3• 1012- 10-1012 Гц и диапазоном длин волн от 1 мм до 30 мкм. Этот частотный интервал занимает хоть и малую, но достаточно важную на практике часть электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и микроволновым диапазонами, поэтому его также часто называют дальним ИК или субмиллиметровым диапазоном.
Несмотря на существенный прогресс в области генерации и приёма ТГц- излучения, данное направление исследований остаётся одним из быстро развивающихся в современной прикладной физике. Многочисленные задачи, стоящие перед исследователями в этой области, еще не решены. К ним относится всё ещё невысокая, порядка 0,1%, эффективность оптико- терагерцового преобразования, сложность установок и др.
Анализ публикаций по теме: «Молекулярные газовые лазеры ТГц- диапазона с оптической накачкой» показал, что молекулярные газовые лазеры с оптической накачкой остаются по-прежнему практически единственными источниками, работающими в непрерывном режиме, излучение которых обладает высокой когерентностью и мощностью порядка 10 мВт.
Актуальность применения таких лазеров обусловлена тем, что они, обладая высокими характеристиками лазерного излучения, могут служить в качестве опорных генераторов при гетеродинном детектировании слабых сигналов в ТГц-области, а, как известно, гетеродинный приём является наиболее эффективным средством борьбы с шумами при приёме слабых сигналов.
Существующие в настоящее время технические решения, как это будет показано ниже, обладают определёнными недостатками, и данное обстоятельство определяет направление настоящих исследований в этой области, положительный результат которых может содержать научную новизну и оригинальные технические решения.
В ходе работы была поставлена цель: исследовать эффективность возбуждения активной лазерной среды в ТГц-диапазоне на метаноле с использованием оптической накачки при помощи СО2-лазера.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выполнить литературный обзор по теме: «Молекулярные газовые лазеры ТГц-диапазона с оптической накачкой»;
- разработать конструкцию молекулярного газового ТГц-лазера с оптической накачкой излучением СО2-лазера, пользуясь оценками элементов конструкции резонатора лазера мощностью излучения не менее 1 мВт;
- выполнить исследования зависимостей длины волны излучения ТГц- лазера от длины волны излучения СО2-лазера и зависимости мощности генерации лазера от давления активной среды;
- по результатам исследования сделать выводы о дальнейшей оптимизации конструкции ТГц-лазера и об условиях накачки активной среды для достижения максимальной эффективности его работы.
В ходе магистерской диссертации были получены следующие результаты:
- проведён анализ публикаций по теме «Молекулярные газовые лазеры ТГц-диапазона с оптической накачкой». В ходе которого были определены условия накачки молекулярных лазеров излучением перестраиваемого по частоте СО2-лазера. Определены диапазоны рабочих давлений и состав газовых смесей;
- разработана конструкция молекулярного газового ТГц-лазера с оптической накачкой излучением СО2-лазера, для которой потери волноводного конфокального резонатора не превышают 2%;
- выполнены исследования зависимостей длины волны излучения ТГц- лазера от длины волны излучения СО2-лазера и зависимости мощности генерации лазера от давления активной среды;
- получена устойчивая генерация на трёх длинах волн 118 мкм, 170 мкм и 110 мкм, максимально достигнутая мощность излучения составила 3,6 мВт на длине волны 118,8 мкм при давлении метанола порядка 0,135 мм рт. ст. и накачке излучением СО2-лазера мощностью 3 Вт, работающего на лазерном переходе 9Р(36);
- выполненная работа может быть полезна для создания опытной модели молекулярного ТГц-лазера с оптической накачкой в диапазоне длин волн от 144 ГГц до 7919 ГГц.
