CN103594916A - 声光调制的腔倒空co2激光器 - Google Patents

Abstract

声光调制的腔倒空CO₂激光器，属于激光技术领域，为解决现有声光调Q激光脉宽宽，且在较高激光增益下，声光调Q无法实现激光的有效“关断”的问题，该激光器从左到右依次同轴设置凹面全反镜、激光管、声光调制器和平面全反镜，信号发生器与声光调制器连接；平面全反镜和凹面全反镜组成激光振荡腔；激光管用于产生激光增益；声光调制器插入腔内，信号发生器用于精确控制声光调制器的振荡激光束在腔内往返振荡，由声光调制器衍射至腔外，形成激光输出，激光重频由信号发生器输入的信号决定，脉宽由振荡激光在腔内往返时间来决定；该激光器中将谐振腔中平面全反镜替换为平面反射式光栅；上述激光器中将谐振腔改进为三镜折叠腔。

Description

声光调制的腔倒空CO2激光器

技术领域

本发明涉及一种基于腔内声光调制的腔倒空的高重复频率、窄脉冲宽度远红外CO₂激光器，属于激光技术领域。

背景技术

小型高重复频率、窄脉冲宽度CO₂激光器在激光加工、激光雷达、环境探测、激光医疗以及激光与物质相互作用等领域均具有广泛的应用需求。目前中小型CO₂激光器实现脉冲输出的方法主要有谐振腔内电光调Q、机械调Q和声光调Q。电光调Q通常采用CdTe晶体作为开关器件，脉冲频率可达到100kHz，脉冲宽度可压缩至百ns量级，但由于电光调Q需要用到高电压，结构较为复杂，不利于实现激光的编码输出，且CdTe晶体损伤阈值较低、价格非常昂贵；机械调Q通常是利用插入谐振腔内高速旋转的斩波器或转镜实现的，此方法的优点是结构简单、成本低，但由于受到斩波器转速的限制难以实现高重复频率输出，且无法进行激光脉冲的编码控制；声光调Q通常采用Ge晶体作为开关器件，通过改变声光介质中周期性交变的超声场所引起的衍射损耗而进行调Q，该方法结构简单、稳定可靠，且Ge晶体损伤阈值高。但腔内声光调Q激光脉冲宽度通常在数百ns量级，且振荡激光光束直径越大，激光束在声光介质内的渡越时间增长也会影响到输出激光脉冲宽度的压缩，且在较高激光增益下，声光调Q会出现无法实现激光的有效关断的现象。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在声光调Q激光脉冲宽度宽，且在较高激光增益下，声光调Q会出现无法实现激光的有效关断的问题，提供一种具有高重复频率、窄脉冲宽度的声光调制的腔倒空CO₂激光器。

本发明的具体技术方案是：

技术方案一：声光调制的腔倒空CO₂激光器，从左到右依次同轴设置凹面全反镜、激光管、声光调制器和平面全反镜，信号发生器与声光调制器连接；

凹面全反镜和平面全反镜组成激光振荡腔；激光管通过放电产生激光增益；声光调制器插入激光振荡腔内，采用布拉格衍射垂直入射方式；信号发生器与声光调制器相连，用于精确控制声光调制器的工作状态，从而控制振荡激光束在腔内往返振荡情况；振荡激光束在腔内往返振荡，由声光调制器的一级衍射将振荡激光束衍射至腔外，作为激光输出。

所述激光管内充入比例为1：3：8：30的Xe气、CO₂气体、He气和H₂气，总气压30托。

技术方案二：在技术方案一的装置中将谐振腔中平面全反射镜替换为平面反射式光栅。

技术方案三：激光振荡腔由凹面全反镜、第二凹面全反镜和第三凹面全反镜组成V型折叠腔的结构；激光管位于凹面全反镜与第二凹面全反镜之间，声光调制器位于第二凹面全反镜和第三凹面全反镜之间振荡激光的束腰处；信号发生器与声光调制器相连；由声光调制器衍射产生的激光束依次经第三凹面全反镜、第二凹面全反镜和平面反射镜的反射后输出激光腔。

本发明的有益效果是：本发明三种技术方案均采用声光调制腔倒空方式，在实现CO₂激光编码控制输出的同时，在高重复频率运转下可以大大压缩输出CO₂激光的脉冲宽度，通常在数十ns；对于第二种方案，谐振腔中平面全反射镜替换为平面反射式光栅，通过对光栅的调节，利用其选支特性可实现对输出CO₂激光的波长选择及可调谐；对于第三种技术方案采用V型折叠腔的结构，一方面可提高谐振腔的热稳定性，另一方面将声光调制器放置在谐振腔中振荡激光束腰的位置，可以缩短振荡激光束在声光介质内的渡越时间，从而进一步压缩输出激光的脉冲宽度。

附图说明

图1是声光调制的腔倒空激光器原理示意图。

图2是声光调制的腔倒空CO₂激光器第一种技术方案示意图。

图3是声光调制的腔倒空CO₂激光器第二种技术方案示意图。

图4是声光调制的腔倒空CO₂激光器第三种技术方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，给出了声光调制腔倒空激光器工作原理。声光调制技术是通过改变声光介质中周期性交变的超声场所引起的衍射。声光调制器1由射频发生器1-1、电-声换能器1-2、声光介质1-3和吸声材料1-5等组成。对于CO₂激光，声光介质1-3通常采用Ge材料。在谐振腔内插入声光调制器，当射频（RF）电源产生的高频振荡信号加在调制器的换能器上时，使声光介质的折射率发生周期性的变化，形成等效的“相位光栅”，光束1-4通过声光介质时，产生布拉格衍射。对于0级入射光会产生1级衍射光即衍射光束1-6，有2θi的角度偏离，这一角度使光波偏出谐振腔外。采用声光调制腔倒空的方法，当声光介质中无超声场作用，激光束在谐振腔内往返振荡，此时不能输出激光，当声光介质中有超声场作用，在其衍射效应作用下，衍射光束1-6形成激光输出。声光介质中超声场交替变化一次，便输出一个激光脉冲。

本发明的第一种技术方案，如图2所示，本发明声光调制的腔倒空CO₂激光器，包括用于产生激光增益的激光管3、用于产生激光振荡和波长选择的谐振腔、用于实现重复频率输出的声光调制器1和控制激光重复频率的信号发生器5。

凹面全反镜2和平面全反镜4组成激光振荡腔。激光管3内充入比例为1：3：8：30的Xe气、CO₂气体、He气和H₂气，总气压30托，通过放电使激光管3内产生激光增益。声光调制器1插入激光振荡腔内，采用布拉格衍射垂直入射方式，控制振荡激光的衍射状态，从而产生脉冲激光输出。信号发生器5与声光调制器1相连，用于精确控制声光调制器1的打开和关断状态，通过调节信号发生器5给声光调制器1输入的信号频率和占空比，从而实现重复频率激光输出。振荡激光束在腔内往返振荡，由声光调制器1的衍射效应将其衍射至谐振腔外，选择一级衍射为输出激光。由此，激光重复频率、占空比等特性由信号发生器输入的信号来控制，激光脉冲宽度由振荡激光在腔内往返时间来决定。采用声光调制腔倒空方式，在实现CO₂激光编码控制输出的同时，可以大大压缩输出激光的脉冲宽度，通常在数十ns。

本发明的第二种技术方案，如图3所示，该方案是将第一种技术方案中组成激光振荡腔的平面反射镜4改进为平面反射式光栅6，利用光栅的选支作用使得该激光器具有波长选择和调谐输出的功能。

本发明的第三种技术方案，如图4所示，激光振荡腔由凹面全反镜2、第二凹面全反镜8和第三凹面全反镜9组成V型折叠腔的结构。激光管3位于第一凹面全反镜2与第二凹面全反镜8之间，声光调制器1位于第二凹面全反镜8和第三凹面全反镜9之间振荡激光的束腰处。信号发生器5与声光调制器1相连。由声光调制器1衍射产生的激光束依次经第三凹面全反镜9、第二凹面全反镜8和平面反射镜10的反射后输出激光腔。该方案采用V型折叠腔的结构，一方面可提高谐振腔的热稳定性，另一方面将声光调制器1放置在谐振腔中振荡激光束腰的位置，可以缩短振荡激光束在声光介质内的渡越时间，从而进一步压缩输出激光的脉冲宽度。

Claims (4)

1.声光调制的腔倒空CO₂激光器，其特征是，从左到右依次同轴设置凹面全反镜（2）、激光管（3）、声光调制器（1）和平面全反镜（4），信号发生器（6）与声光调制器（1）连接；

凹面全反镜（2）和平面全反镜（4）组成激光振荡腔；激光管（3）通过放电产生激光增益；声光调制器（1）插入激光振荡腔内，采用布拉格衍射垂直入射方式；信号发生器（5）与声光调制器（1）相连，用于精确控制声光调制器（1）的工作状态，从而控制振荡激光束在腔内往返振荡情况；振荡激光束在腔内往返振荡，由声光调制器（1）的一级衍射将振荡激光束衍射至腔外，作为激光输出。

2.根据权利要求1所述的声光调制的腔倒空CO₂激光器，其特征是，所述激光管（3）内充入比例为1：3：8：30的Xe气、CO₂气体、He气和H₂气，总气压30托。

3.根据权利要求1所述的声光调制的腔倒空CO₂激光器，其特征是，将谐振腔中平面全反射镜（4）替换为平面反射式光栅（6）。

4.根据权利要求1所述的声光调制的腔倒空CO₂激光器，其特征是，激光振荡腔由凹面全反镜（2）、第二凹面全反镜（8）和第三凹面全反镜（9）组成V型折叠腔的结构；激光管（3）位于凹面全反镜（2）与第二凹面全反镜（8）之间，声光调制器（1）位于第二凹面全反镜（8）和第三凹面全反镜（9）之间振荡激光的束腰处；信号发生器（5）与声光调制器（1）相连；由声光调制器（1）衍射产生的激光束依次经第三凹面全反镜（9）、第二凹面全反镜（8）和平面反射镜（10）的反射后输出激光腔。

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