CN104064943A - 一种种子注入非稳腔化学激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种种子注入非稳腔选线化学激光装置，该装置沿激光的输出方向依次设置有平凹反射镜、布儒斯特片、种子光增益区、布儒斯特片、光阑、平面衍射光栅、起偏器、1/4波片、平面全反射镜、平面全反射镜、平凹后腔反射镜、激活介质增益区、刮刀镜、平凸前腔反射镜。本发明激光装置将选线的种子激光耦合注入到环形腔化学激光放大器中，利用种子激光模式与注入放大级腔内本征模之间的竞争来实现种子激光对环形腔化学放大器的控制，实现大功率化学激光的选线输出，其具有优良的光束质量、能量高、可实现激光的选线输出等特点，可广泛应用于激光物理、激光化学、激光对抗等领域。

Description

一种种子注入非稳腔化学激光装置

技术领域

本发明属于化学激光器件领域，具体涉及一种种子注入放大非稳腔化学激光器。

背景技术

化学激光器因其高功率、高效率、较好的大气传输窗口等优点，广泛应用于工业、医疗、科研等领域。目前，大多数连续波化学激光器如HF/DF激光器、HBr激光器、CO₂激光器等均是多谱线输出，而在实际工作中，特别是在大气传输过程中，由于水蒸气对大多数激光谱线有着强烈的吸收，而且某些特定波长的谱线在大气传输过程中并不会因吸收而产生强烈的热晕效应，这就使得激光器的单谱线运转变得十分有意义。

目前，在化学激光范围内，行之有效的选线方法是在腔内使用色散元件实现激光器选线输出。常用的色散元件主要有棱镜和衍射光栅。采用腔内棱镜的方法在有限的空间内并不足以将距离非常近（nm量级）的光区分开来，并且由于腔内功率较高，棱镜的热效应也会大大降低激光器的输出效率以及光束质量，因此并不适用于高功率化学激光器。衍射光栅具有极高的光谱分辨本领，经常被用来作为谐振腔的组成部分进行选线输出。通过旋转光栅改变振荡光的入射角度，可以实现不同波长谱线的单线输出。而且，金属基底的衍射光栅往往能加以冷却，因此可以大大提高光栅的损伤阈值，适用于功率较大的激光器的谐振腔内。但对于高功率化学激光器尤其是长时间连续运转的激光器来说，腔内的高功率密度依然会对水冷型光栅造成损伤，这使得采用这种方法运行的激光器无法实现稳定的选线输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种种子注入非稳腔化学激光装置，该装置可以通过种子激光对激光放大器的控制实现大功率连续化学激光的选线输出，具有高功率、高效率、良好的光束质量、可单线输出等特点。

为实现本发明的目的，具体技术解决方案是：

一种种子注入非稳腔化学激光装置，包括种子激光器、隔离器和激光放大器；在所述种子激光器中输出的光经平面全反镜Ⅰ和平面全反镜Ⅱ反射进入激光放大器中进行放大并将放大后的光输出；

所述隔离器由起偏器和1/4波片组成；所述起偏器放置于邻近平面全反射镜Ⅱ一侧；所述1/4波片放置于邻近起偏器另一侧，且垂直于光轴；

所述激光放大器包括：平凹后腔反射镜，所述平凹后腔反射镜中心设置有通孔；用于经隔离器单向隔离后的光通过通孔进入激活介质增益区，并接收由平凸前腔反射镜输出的并穿过刮刀镜的光；激活介质增益区，用于使经过的光放大；平凸前腔反射镜，用于将所述激活介质增益区放大后的光输出到所述平凹后腔反射镜上；刮刀镜，用于将所述平凹后腔反射镜和所述平凸前腔反射镜之间放大的光在刮刀镜上耦合输出。

所述种子激光器由同轴设置的平凹反射镜、布儒斯特片Ⅰ、种子光增益区、布儒斯特片Ⅱ、光阑、平面衍射光栅构成；所述平面衍射光栅和平凹反射镜之间组成谐振腔，种子光增益区两侧设置布儒斯特片Ⅰ和布儒斯特片Ⅱ，在平面衍射光栅和布儒斯特片Ⅱ之间设置光阑；所述平面衍射光栅邻近所述设置，并将谐振腔中放大的光经平面衍射光栅零级耦合输出到所述平面全反射镜Ⅰ上。

布儒斯特片Ⅰ和布儒斯特片Ⅱ与光轴之间的角度54.5°。

本发明中的刮刀镜的中心孔的大小与平凸前腔反射镜的大小相同。

本发明激光装置的工作过程如下：种子激光器内的反应介质发生化学反应后在谐振腔内产生受激辐射光，经过布儒斯特片和光阑限模后变为良好光束质量的线偏振光。平面衍射光栅以Littrow自准直方式放置，其角度被调整到满足选择波长所对应的衍射角度，满足光栅方程（其中θ分别是入射角和衍射角，d为刻线间距离且本发明中d为1/300mm，m为衍射级次）。由于产生的受激辐射光的波长不同，满足光栅一级衍射入射波长的光沿原路反射回种子激光器谐振腔内，其它波长的光被衍射出谐振腔外，由此被选择波长的辐射光在平凹反射镜和平面衍射光栅所形成的谐振腔之间振荡放大，并由衍射光栅的零级耦合输出，而其它波长的辐射光均被抑制。输出的种子激光经全反射镜准直后，经过由起偏器和1/4波片组成的光隔离器后，通过平凹后腔镜上的圆孔进入激光放大器进行放大，光隔离器用来隔离由放大器中反射回来的振荡光。在非稳腔放大器中进行放大后的激光由刮刀镜耦合输出。

所述的衍射光栅为金属基底光栅，其刻线数为300线/mm，一级衍射效率大于90%。

所述的平面衍射光栅、平面全反射镜、平面全反射镜分别放置在电动转台上。

所述的光阑为圆台形光阑，光阑内表面抛光，其水平、竖直位置手动可调。

所述的激光放大器为非稳腔多程放大器。

本发明中所述起偏器指本领域的技术人员所知的偏振片。

本发明具有以下优点：

1、使用种子注入激光放大器的方法，通过种子光对注入放大级中增益的有效提取，能够 获得大功率化学激光的选线输出。

2、采用种子光注入的方法，避免了放大器内过高的功率密度对光栅造成的损伤，可以获得选线激光器的大功率、长时间运转。

3、种子激光器使用转台旋转光栅的方法实现选线输出，可以获得增益谱线范围内任意波长的谱线输出，通过转台调节注入反射镜的角度，可以使得种子激光注入到激光放大器中的方向保持不变。

4、种子激光器选择衍射光栅一级衍射腔内振荡、零级衍射作为激光器的耦合输出，可以有效降低谐振腔内的光学损耗，适用于增益较弱的谱线的输出。

5采用非稳腔结构，可以获得高功率、优良的光束质量的化学激光。

附图说明

图1为本发明种子注入非稳腔化学激光装置的结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，本发明种子注入非稳腔化学激光装置，包括种子激光器、隔离器和激光放大器；在所述种子激光器中输出的光经平面全反镜Ⅰ7和平面全反镜Ⅱ8反射进入激光放大器中进行放大并将放大后的光输出；

所述隔离器由起偏器9和1/4波片10组成；所述起偏器9放置于邻近平面全反射镜Ⅱ8一侧；所述1/4波片10放置于邻近起偏器9另一侧，且垂直于光轴a；

所述激光放大器包括：平凹后腔反射镜11，所述平凹后腔反射镜11中心设置有通孔；用于经隔离器单向隔离后的光通过通孔进入激活介质增益区12，并接收由平凸前腔反射镜14输出的，穿过刮刀镜13的光；激活介质增益区12，用于使经过的光放大；平凸前腔反射镜14，用于将所述激活介质增益区12放大后的光输出到所述平凹后腔反射镜11上；刮刀镜13，用于将所述平凹后腔反射镜11和所述平凸前腔反射镜14之间放大的光由刮刀镜13耦合输出；

所述种子激光器由同轴设置的平凹反射镜1、布儒斯特片Ⅰ2、种子光增益区3、布儒斯特片Ⅱ4、光阑5、平面衍射光栅6构成；所述平面衍射光栅6和平凹反射镜1之间组成谐振腔，种子光增益区3两侧设置布儒斯特片Ⅰ2和布儒斯特片Ⅱ4，在平面衍射光栅6和布儒斯特片Ⅱ4之间设置光阑5；所述平面衍射光栅6邻近所述平面全反射镜Ⅰ7设置，并将谐振腔中放大的光经平面衍射光栅6零级耦合输出到所述平面全反射镜Ⅰ7上。

由化学反应产生的位于种子光增益区3内的激活介质产生波长范围较宽的受激辐射光，通过旋转平面衍射光栅6改变其衍射角度，使得光栅的衍射波长对应于所要选择激光的波长。 位于种子光增益区3的辐射光经过布儒斯特片Ⅰ2后，变为振动方向平行于入射面的线偏振光，通过圆台形光阑5限模后，入射到平面衍射光栅6上，平面衍射光栅6以Littrow方式放置。受激辐射光中满足平面衍射光栅6衍射波长的部分被原路反射回种子激光器的谐振腔内，而其它波长的辐射光被衍射出腔外，由此被选择波长的辐射光在平凹反射镜1和平面衍射光栅6所形成的谐振腔中振荡放大，并由平面衍射光栅6的零级耦合输出。平面全反射镜Ⅰ7、平面全反射镜Ⅱ8反射分别放置于电控转台上，通过调整两反射镜的角度保证种子激光沿激光放大器光轴的方向注入到激光放大器中。当振动方向平行于入射面的线偏振种子激光经过平面全反射镜Ⅰ7、平面全反射镜Ⅱ8反射后，通过由通过起偏器9、1/4波片10后变为圆偏振光，通过平凹后腔镜11上的圆孔进入激光放大器，通过激活介质增益区12，穿过刮刀镜13，在平凹后腔镜11和平凸前腔反射镜14之间进行振荡放大，在非稳腔放大器中进行放大后的激光由刮刀镜耦合输出。而经平凹后腔镜11中心的圆孔反射回注入光路的振荡光通过1/4波片10后变为振动方向垂直于入射面的线偏振光，由起偏器9全部反射出光路，起偏器9和1/4波片10起到对种子激光和放大激光单向隔离的作用，以避免反馈的放大光对种子激光器造成的损伤。

本发明通过种子激光对激光放大器的控制实现大功率连续化学激光的选线输出，具有高功率、高效率、良好的光束质量、可单线输出等特点。本发明可以应用于HF/DF激光器、HBr激光器及气动CO₂激光器等系统。

Claims (5)

1.一种种子注入非稳腔化学激光装置，其特征在于包括种子激光器、隔离器和激光放大器；在所述种子激光器中输出的光经平面全反镜I（7）和平面全反镜II（8）反射进入激光放大器中进行放大并将放大后的光输出；

所述隔离器由起偏器（9）和1/4波片（10）组成；所述起偏器（9）放置于邻近平面全反射镜II（8）一侧，且与光轴（a）之间的夹角为54.5°；所述1/4波片（10）邻近起偏器（9）的另一侧，且垂直于光轴（a）方向放置；

所述激光放大器包括：平凹后腔反射镜（11），所述平凹后腔反射镜（11）中心设置有通孔；用于经隔离器单向隔离后的光通过通孔进入激活介质增益区（12），并接收由平凸前腔反射镜（14）输出的并穿过刮刀镜（13）的光；激活介质增益区（12），用于使经过的光放大；平凸前腔反射镜（14），用于将所述激活介质增益区（12）放大后的光输出到所述平凹后腔反射镜（11）上；刮刀镜（13），用于将所述平凸前腔反射镜（14）反射到平凹后腔反射镜（11）上的光由刮刀镜（13）耦合输出。

2.根据权利要求1所述的种子注入非稳腔化学激光装置，其特征在于：所述种子激光器由同轴设置的平凹反射镜（1）、布儒斯特片I（2）、种子光增益区（3）、布儒斯特片II（4）、光阑（5）、平面衍射光栅（6）构成；所述平面衍射光栅（6）和平凹反射镜（1）之间组成谐振腔，种子光增益区（3）两侧设置布儒斯特片I（2）和布儒斯特片II（4），在平面衍射光栅（6）和布儒斯特片II（4）之间设置光阑（5）；所述平面衍射光栅（6）邻近所述平面全反射镜I（7）设置，并将谐振腔中放大的光经平面衍射光栅（6）零级耦合输出到所述平面全反射镜I（7）上。

3.根据权利要求1所述的可变选线的稳定腔气流化学激光装置，其特征在于：所述的种子激光为单横模线偏振光。

4.根据权利要求1所述的种子注入非稳腔化学激光装置，其特征在于：所述的衍射光栅（6）、平面全反射镜I（7）、平面全反射镜II（8）分别放置在电动转台上。

5.根据权利要求1所述的种子注入非稳腔化学激光装置，其特征在于：所述的放大器为非稳腔多程放大器。