I 摘 要 随着 TEACO2 激光器技术的日益成熟，它已经在工业加工、军事、环境保护和 科学研究等许多领域中被广泛应用 最近国际上的热门研究领域激光推进， TEACO2 激光器被认为是最可选激光器之一光束质量是影响这种远距离传输应用的关键因 素相位共轭自适应谐振腔被认为是改善 TEACO2 激光器光束质量的最佳方案为 获得高光束质量的高功率 TEA CO2 激光，本文对相位共轭自适应谐振腔的基本原理 以及这种谐振腔必需的高光束质量的泵浦光源的产生方法进行了理论和实验探索 本文首先介绍了相位共轭基本原理和关键技术，并重点介绍了四波混频产生相 位共轭的基本原理和相位共轭谐振腔的特性实现相位共轭首先必须得到高光束质 量的泵浦光而猫眼谐振腔因其良好的逆向反射特性，被认为是得到高光束质量泵 浦光的最有效的方法之一因此，本文随后从理论上分析研究了猫眼谐振腔的特性， 同时还根据实验条件进行了理论计算 通过比较分析各种光束质量评价方法后，确定采用衍射极限倍数 β 作为实验中 光束质量评价标准， 并采用聚焦光束测量法，利用分束采样红外 CCD 成像的方法测 量 TEA CO2 激光器猫眼谐振腔的光束质量。
光束质量数据远优于平面镜－圆锥镜谐 振腔、平凹腔的结果对低输出能量的原因也进行了探讨，结论是大气衰减损耗对 实验的影响基本可以忽略，衍射损耗也不足以引起低能量输出，但是平面反射镜的 不稳定性引起的损耗则相当可观，应该尽量减小 最后，利用光子牵引探头测量了猫眼谐振腔的激光脉冲时间波形通过和平凹 腔对比，发现猫眼谐振腔因其腔长长、损耗大，激光脉冲开始时刻与放电结束时刻 的间隔比平凹腔的要长，同时实验中还通过傅立叶变换证实了“拍频”现象 关键词:关键词: 相位共轭 四波混频 TEA CO2 激光器 猫眼谐振腔 光束质量II ABSTRACT With the improvement of its performance, TEA CO2 laser has been widely applied in many areas such as processing, defense, environment protection and scientific research. It is considered as the most favorable laser for the application of laser propulsion which is increasingly studied recently. Beam quality is a key factor that has significant influence on this kind of energy transportation application, and it is recognized that phase conjugation cavity would improve the beam quality of TEA CO2 laser effectively. For the purpose of high quality high power TEA CO2 laser, the principle of phase conjugation cavity and the method to obtain high quality pump beams which are required by this kind of cavity are both theoretically and experimentally studied. Firstly, the principles and key technologies of phase conjugation are introduced. Then, the principles of four wave mixing technology and the characteristics of phase conjugation cavity are discussed. The prerequisite of realizing phase conjugation beam is to obtain pump beams with high beam quality and appropriate energy. It is recognized that cat'seye cavity could be one of the most effective methods to obtain appropriate pump beams due to its excellent retroreflectivity. Thus, the characteristics of cat'seye cavity are discussed, and theoretical simulations are also made with the specific conditions of our experiments. Several methods of beam quality valuation are compared, and the times of diffraction limit β is chosen as the criterion applied in the experiments. The β factor of the cat'seye cavity of TEA CO2 laser is measured by infrared CCD using focused beam measurement method. The β factors are much better than those of planoconic cavity and planoconcave cavity. The reasons for low pulse energy are also discussed. It is concluded that the influence of atmosphere attenuation could be ignored in the experiment and the diffraction loss would not be the reason of low energy also. However, the influence of maladjustments of the planoplano output coupler should be minimized as small as possible.III At last, the temporal waveform of laser pulse is measured by a photon drag detector. The interval between the end of discharge and the beginning of the laser pulse of cat'seye cavity is longer than that of the planoconcave cavity, which may be the results of high loss of the cat’seye cavity. Besides, the phenomenon of “beat frequency” is also confirmed by the experiments. Key words: Phase conjugation Four wave mixing TEA CO2 laser Cat'seye cavity Beam quality独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于1 绪论 光束质量是激光束可聚焦程度的度量,高质量光束的远场发散角应接近理想的 基模高斯光束的衍射极限对于 TEA CO2 激光器，影响其光束质量的因素较多,诸 如在谐振腔内介质非均匀性和增益饱和都会引起激光介质非均匀增益分布、光学元 件的静态像差和动态热像差（热畸变） 、光腔的失调和抖动、硬边光阑衍射、高阶模 输出，以及脉冲内模式－介质相互作用（MMI: modemedium interaction；或称之为 激光诱导介质微扰 LIMP: laserinduced medium perturbation。
激光光场空间不均匀导 致工作介质被非均匀加热，形成光学相位光栅，引起光束质量下降）和放电不均匀 性等都会降低光束质量研究中发现谐振腔畸变和激光介质非均匀增益分布对整个 光束质量起关键性作用,它是产生波前畸变的重要原因 利用非线性光学相位共轭技术可以产生实时的畸变光波的相位共轭波当相位 共轭波再次通过引起畸变的非均匀介质后，便可消除畸变由于这种技术采用了全 光学的方法，不仅可以免去电气系统或电机械器件带来的臃肿低速，而且可以得到 很高的空间带宽和频宽 产生相位共轭波的方法有很多，主要有受激布里渊散射(SBS: stimulated Brillouin scattering)和四波混频(FWM: Four Wave Mixing)，而在 10.6µm 波段，四波 混频是唯一高效产生相位共轭波的方法，很多相关实验也证实了此方法的确行之有 效 在利用四波混频方法得到相位共轭波的过程中，获得一定能量的高光束质量的 泵浦光将是整个实验的关键，因为在实用化的器件装置中，通常利用相位共轭作用 自动消除在传输和放大光路上受到的相位畸变，最终将得到与泵浦光光束质量相同 的激光输出因此，泵浦光的光束质量将直接影响整个装置的激光输出。
而采用猫 眼谐振腔，利用其良好的逆向反射特性和稳定性，选择合适的菲涅尔数，即可得到 近似基模光束的激光输出，从而满足泵浦光高光束质量的要求 1.1 相位共轭的发展动态2 1.1.1 国外研究进展 1972 年，前苏联科学院物理所的 Zel'dovich [1] 首次报道了相位共轭现象他们 在 CS2 液体的受激布里渊散射的实验中发现，在 CS2 散射池前插一块相位干扰板， 当 CS2 池内产生的后向布里渊散射光再次通过相位板后，重新获得了与干扰前入射 光具有相同空间质量的光斑相位干扰在两次相向而行的传播过程中被矫正了，光 波被时间反演了Zel'dovich 的实验为光学相位共轭的发展奠定了基础1973 年， 美国休斯实验室的 V. Wang, D.H. Close，以及实验室顾问 A. Yariv [2] 在 Zel'dovich 相 位共轭现象。