CN104064945A - 一种可调谐板条激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐板条激光器，属于激光器技术领域，其目的在于解决提高小型化可调谐板条激光器输出功率的问题。其技术方案为：包括真空腔体，所述真空腔体内横向设置有光路折叠系统，所述光路折叠系统包括反射式闪耀光栅、全反射凹面镜、全反射凸面镜和部分反射输出镜，振荡光通过闪耀光栅选频后依次经过全反射凹面镜、全反射凸面镜并在全反射凹面镜、全反射凸面镜上产生反射，经反射后的光线最终通过部分反射输出镜输出。本发明主要用于激光器，既可以保证激光器的输出光束质量，又可以降低光栅面上的功率密度，实现更大的功率输出。

Description

一种可调谐板条激光器

技术领域

本发明涉及一种可调谐板条激光器，具体涉及一种可实现较大功率输出的可调谐板条激光器，属于激光器技术领域。

背景技术

可调谐激光器一般分为两类：一种基于介质的宽带发射光谱结合选频技术来实现激光振荡波长的连续调谐，染料激光器、可调谐准分子激光器、高压气体激光器、固体过渡金属离子激光器、色心激光器、可调谐半导体激光器、自由电子激光器等均属于这一类；另一类是对某一固定波长激光或可调谐激光通过非线性光学的光参量过程，而得到波长连续可调的光参量激光技术，如光参量振荡技术、光参量放大技术、可调谐的倍频、和频、差频和喇曼移频技术等。本申请针对的可调谐板条激光器属于前一种。

早期的连续气体激光器（如二氧化碳激光器）多为直流放电，气体为轴流运动方式，采用石英玻璃管结合稳定腔的结构。因此气体激光器的选支技术一开始也在这种结构上发展，玻璃管两端加载直流高压，在低气压（典型值如30mbar）下产生稳定的辉光放电，谐振腔的半透输出镜不变，而将全反射尾镜替换为外腔反射式光栅从而实现可调谐功能。这种可调谐激光器虽然谱线较多，但稳定性较差，长期工作在高压直流放电条件下的电极易腐蚀，气体更换频繁。且当功率较大时，激光器体积庞大，系统的集成性、便携性差，工作环境要求较高，不利于在实验室以外的场所安装使用。

高频（射频、微波）激励气体激光器采用低压高频电源取代高压直流电源，具有输出功率与效率更高，不会发生阴极腐蚀，可全封离长期运行等优点。板条激光器可以采用面增比技术，不再单纯的依靠增加腔长来提高输出功率，结构紧凑，体积更小，适合实验室以外的环境。然而，现有的板条激光器一般采用非稳腔，这种方法可以通过面增比技术实现大功率激光输出，但实现可调谐时遇到障碍。如果其采用折叠稳定腔，虽然可以实现光栅调谐，但无法发挥板条激光器依靠面增比提高功率的优势，不利于大功率可调谐技术的实现。另一方面，受限于光栅的最大功率承受密度所限，现有的可调谐板条激光器功率均低于百瓦量级，难以继续提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调谐板条激光器，旨在解决提高小型化可调谐板条激光器输出功率的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种可调谐板条激光器，包括真空腔体，其特征在于：所述真空腔体内横向设置有光路折叠系统，所述光路折叠系统包括反射式闪耀光栅、全反射凹面镜、全反射凸面镜和部分反射输出镜，振荡光通过反射式闪耀光栅选频后依次射入全反射凹面镜、全反射凸面镜并在全反射凹面镜、全反射凸面镜上产生反射，经反射后的振荡光最终通过部分反射输出镜输出。

进一步地，全反射凹面镜与全反射凸面镜的焦点重合。

进一步地，反射式闪耀光栅的出射光和部分反射输出镜的入射光均为平行光。

进一步地，光线在全反射凹面镜和全反射凸面镜上重复产生反射，反射的总次数为2次、4次或6次。

进一步地，所述真空腔体内纵向设置有上、下两块电极，电极通过传输线与射频电源连接并在电极之间形成增益区间。

进一步地，真空腔体内设置有水冷流道，所述水冷流道两端分别通过连接接头与进水管、出水管一一对应连接。

进一步地，进水管与真空腔体之间、出水管与真空腔体之间均通过O型氟橡胶密封圈旋转密封。

进一步地，还包括用于调节反射式闪耀光栅角度的旋转手柄，所述旋转手柄一端穿过真空腔体与反射式闪耀光栅连接。

进一步地，还设有两组反射镜调节装置，所述反射镜调节装置包括镜座、螺杆和调节盖板,全反射凹面镜或全反射凸面镜安装于镜座上，螺杆一端穿过真空腔体与镜座连接，螺杆另一端与固定安装于真空腔体上的调节盖板螺纹连接。

进一步地，所述每一组反射镜调节装置中螺杆设置三根，螺杆与真空腔体之间通过O型氟橡胶密封圈旋转密封。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.真空腔体内的增益区间由上下两块平板电极构成，增益区间两侧分布四个光学元器件，分别为全反射凹面镜、全反射凸面镜、部分反射输出镜和反射式闪耀光栅；作为激光器输出耦合镜的部分反射输出镜和反射式闪耀光栅构成了传统的选支腔；在一般条件下，反射式闪耀光栅单位面积所能承受的功率密度是有限的，因此限制了选支腔的激光输出功率，但加入两片全反镜折叠光路后，每次震荡经折叠一次后，光束经历一次扩束，到达全反射光栅时光束直径相对于部分反射输出镜处放大，既保证了激光器的输出光束质量，又降低了光栅面上的功率密度，从而实现更大的功率输出；本激光器在继承板条激光器高增益、小体积等优点的前提下实现了选支调谐功能，实现大功率可调谐输出。此外，本可调谐板条激光器结构简单、紧凑，易实现，采用全金属真空腔体，可实现全封离运行。

2.全反射凹面镜与全反射凸面镜的焦点重合，全反射凹面镜与全反射凸面镜的横向几何尺寸设计合理，振荡光束的每个折叠光路尽量靠近，以达到充分利用增益工作介质的目的，提高激光效率。

3.设计时，光线在光路折叠系统中的折叠次数不易太多，折叠次数过多则会导致谐振腔的失调特性下降，轻微的振动和变形就可能造成光路偏差过大而不能起振，激光器很难稳定工作，而折叠次数在4次或6次时，效果较好。

4.增益区间由上下两块平板电极构成，间距1~3mm，构成波导腔，在波导方向利用光栅腔最低阶模、波导最低阶模以及小范围增益体积的良好匹配，实现高效、高光束质量的激光振荡；另一方面，腔内的望远镜折叠系统既起到了利用板条放电区域的作用，同时也对振荡激光进行了扩束，降低了光栅面上的激光功率密度，使得光栅调谐激光器可以实现更大的功率输出，且光束质量优秀。

5.电极内加工有水冷流道，即图1中虚线所示，水冷流道通过连接接头与进水管、出水管相连从而实现扩散冷却。

6.旋转手柄一端穿过真空腔体与反射式闪耀光栅连接，通过旋转手柄调节反射式闪耀光栅的角度并最终进行调谐。

7.全反射凹面镜或全反射凸面镜安装于镜座上，镜座通过穿墙的螺杆安装在腔体壁上，螺杆的调节功能通过与腔体上的调节盖板上的细牙螺纹配合实现，且螺杆三根一组配合使用，实现二维方向的调节准直。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中光线折叠示意简图；

图3为本发明中全反射凹面镜与全反射凸面镜的参数设计简图；

其中，附图标记为：1—增益区间、2—全反射凹面镜、3—全反射凸面镜、4—部分反射输出镜、5—反射式闪耀光栅、6—电极、7—进水管、8—出水管、9—连接接头、10—输出镜镜座、11—螺杆、12—调节盖板、13、14—镜座、15—旋转手柄、16—真空腔体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

实施例一

一种可调谐板条激光器，包括真空腔体，真空腔体为全金属结构，本实施例中其材料为铝材，散热性佳，重量轻，加工时进行热处理减少变形。射频电源通过传输线连接到真空腔体内壁的上、下两壁上构成波导腔。真空腔体内横向设置有光路折叠系统，该光路折叠系统包括反射式闪耀光栅、全反射凹面镜、全反射凸面镜和部分反射输出镜，反射式闪耀光栅和全反射凸面镜安装于真空腔体内表面的一侧壁上；全反射凹面镜和部分反射输出镜安装于真空腔体内表面与反射式闪耀光栅或全反射凸面镜相对的侧壁上，其中，部分反射输出镜安装于真空腔体侧壁预先开设的通孔内，输出镜镜座部分伸入该通孔内并与部分反射输出镜固定连接，输出镜镜座通过螺钉连接固定安装于真空腔体外壁。全反射凹面镜和全反射凸面镜的镜面均采用无氧铜作基底，超精车工艺加工镜面，镜面可以是球面也可以为柱面，全反射凹面镜和全反射凸面镜的镜面均倾斜设置，且两者的倾斜方向、分别与真空腔体的侧壁的夹角均相同，部分反射输出镜是指部分反射的输出镜；部分反射输出镜为半透半反镜，透反比依据激光增益大小和各处衍射损耗综合权衡，如射频二氧化碳激光器可用ZnSe基底材料镀膜实现90%左右的反射率。

振荡光通过反射式闪耀光栅选频后入射在全反射凹面镜上产生第一次全反射，第一次全反射光线入射在全反射凸面镜上产生第二次全反射，光线在全反射凹面镜、全反射凸面镜上重复产生偶数次全反射，最终光线经全反射凸面镜全反射后入射至部分反射输出镜输出。振荡光经折叠一次后，光束经历一次扩束，使得到达反射式闪耀光栅时光束直径相对于到达部分反射输出镜位置时被放大。由一块部分反射输出镜和一块反射式闪耀光栅构成的光栅选支腔、由真空腔体内壁的上、下两壁构成空心波导腔、由一面全反射凹面镜和一面全反射凸面镜构成的望远镜折叠系统三者组成一种折叠波导光栅腔，作为可调谐板条激光器的谐振腔。

真空腔体内壁的上、下两壁之间形成增益区间，在增益区间的两侧分布四个光学元器件分别为反射式闪耀光栅、全反射凹面镜、全反射凸面镜和部分反射输出镜。作为激光器输出耦合镜的部分反射输出镜和反射式闪耀光栅构成了传统的选支腔，在一般条件下，反射式闪耀光栅单位面积所能承受的功率密度是有限的，因此限制了选支腔的激光输出功率。若增加选支腔的菲涅尔数，即增大部分反射输出镜和反射式闪耀光栅的横向尺寸，又会导致输出光束质量下降，且会带来散热问题。但在光路中加入全反射凹面镜、全反射凸面镜折叠光路后，每次震荡经折叠一次后，光束经历一次扩束，到达反射式闪耀光栅时光束直径相对于部分反射输出镜处放大，既保证了激光器的输出光束质量，又降低了光栅面上的功率密度，从而实现更大的功率输出。此外，本可调谐板条激光器结构简单、紧凑，易实现。采用全金属真空腔体，可实现全封离运行。

实施例二

在实施例一的基础上，全反射凹面镜与全反射凸面镜的焦点O重合（共焦），共焦点O与全反射凸面镜之间的距离L2为全反射凸面镜的曲率半径R2的一半，共焦点O与全反射凹面镜间的距离L1为全反射凸面镜的曲率半径R1的一半，具体设计如图2所示。如此设计，则可以使得振荡光束的每个折叠光路尽量靠近，以达到充分利用增益工作介质的目的，提高激光效率。振荡光通过反射式闪耀光栅选频后的出射光为平行光，最后一次经全反射凸面镜反射后射入部分反射输出镜的入射光仍为平行光。谐振腔实际上等效于一个插入周期性扩束系统的稳定腔。设光路在光栅与输出镜之间周期折叠了n次，则经过了n次扩束有如下尺寸关系： (a+c-b)=nMa，M为放大倍数。实际工作时，光线折叠次数不易太多，否则会导致谐振腔的失调特性下降，轻微的振动和变形就可能造成光路偏差过大而不能起振，激光器很难稳定工作。如图3所示，图3给出的折叠次数为六次，显然可以理解，本发明并不限定折叠次数，可以为2、4、6等依此类推。插入的望远镜折叠系统并不会对腔内模式造成本质的影响。

实施例三

在实施例一或实施例二的基础上，在真空腔体内纵向设置有上、下两块电极，电极可用铝或铜加工制作，本实施例中电极材料为铜，上电极靠近真空腔体内部顶面，下电极靠近真空腔体内部底面，上、下两块电极之间的间距为1~3mm，两电极通过传输线与射频电源连接并在电极之间形成增益区间。

实施例四

在实施例一、实施例二或实施例三的基础上，真空腔体内设置有水冷流道（如图1中虚线所示），所述水冷流道为蛇形水冷流道，水冷流道的两端均分别通过连接接头与进水管、出水管一一对应连接，其中进水管与真空腔体之间、出水管与真空腔体之间均通过O型氟橡胶密封圈旋转动密封，所述进水管、出水管均采用不锈钢管或铜管，本实施例中进水管、出水管均采用不锈钢管，且进水管、出水管均通过软管连接到冷水机。通过连接接头与进水管、出水管相连实现扩散冷却。

实施例五

在上述实施例的基础上，反射式闪耀光栅一端连接有用于调节反射式闪耀光栅角度的旋转手柄，该旋转手柄一端穿过真空腔体并与真空腔体内的反射式闪耀光栅连接，旋转手柄另一端为自由端。通过手动转动旋转手柄从而实现调节光栅角度的调谐。

实施例六

在上述实施例的基础上，该可调谐板条激光器还设有两组反射镜调节装置，两组反射镜调节装置对应全反射凹面镜与全反射凸面镜。所述反射镜调节装置包括镜座、螺杆和调节盖板，全反射凹面镜或全反射凸面镜安装于镜座上，其中，全反射凹面镜与镜座13连接，全反射凸面镜与镜座14连接，螺杆一端穿过真空腔体与镜座连接，螺杆另一端与调节盖板螺纹连接，该调节盖板位于真空腔体外表面的凹槽内。每一组反射镜调节装置中螺杆设置三根，螺杆与真空腔体之间通过O型氟橡胶密封圈旋转密封。

Claims (9)

1.一种可调谐板条激光器，包括真空腔体（16），其特征在于：所述真空腔体（16）内横向设置有光路折叠系统，所述光路折叠系统包括反射式闪耀光栅（5）、全反射凹面镜（2）、全反射凸面镜（3）和部分反射输出镜（4），振荡光通过反射式闪耀光栅（5）选频后依次射入全反射凹面镜（2）、全反射凸面镜（3）并在全反射凹面镜（2）、全反射凸面镜（3）上产生反射，经反射后的振荡光最终通过部分反射输出镜（4）输出。

2.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：全反射凹面镜（2）与全反射凸面镜（3）的焦点重合。

3.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：光线在全反射凹面镜（2）和全反射凸面镜（3）上重复产生反射，反射的总次数为2次、4次或6次。

4.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：所述真空腔体（16）内纵向设置有上、下两块电极（6），电极（6）通过传输线与射频电源连接并在电极（6）之间形成增益区间。

5.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：真空腔体（16）内设置有水冷流道，所述水冷流道两端分别通过连接接头（9）与进水管（7）、出水管（8）一一对应连接。

6.如权利要求5所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：进水管（7）与真空腔体（16）之间、出水管（8）与真空腔体（16）之间均通过O型氟橡胶密封圈旋转密封。

7.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：还包括用于调节反射式闪耀光栅（5）角度的旋转手柄（15），所述旋转手柄（15）一端穿过真空腔体（16）与反射式闪耀光栅（5）连接。

8.如权利要求1所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：还设有两组反射镜调节装置，所述反射镜调节装置包括镜座（13）、螺杆（11）和调节盖板(12),全反射凹面镜（2）或全反射凸面镜（3）安装于镜座（13、14）上，螺杆（11）一端穿过真空腔体（16）与镜座（13）连接，螺杆（11）另一端与固定安装于真空腔体（16）上的调节盖板（12）螺纹连接。

9.如权利要求8所述的一种可调谐板条激光器，其特征在于：所述每一组反射镜调节装置中螺杆（11）设置三根，螺杆（11）与真空腔体（16）之间通过O型氟橡胶密封圈旋转密封。