CN104064946A - 一种用于化学激光装置的选线环形腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于化学激光装置的选线环形腔，该装置采用稳定环形腔结构，沿激光的传输方向依次设置有闪耀光栅、平面反射镜、平面反射镜、平凹反射镜、布儒斯特片、激活介质区、布儒斯特片，在闪耀光栅的零级衍射输出设置有平面反射镜。本发明激光装置使用固定衍射光栅，利用利用一级衍射振荡、零级衍射输出的方式实现化学激光器的选线输出。激光器的谐振腔采用四镜矩形行波腔或四镜“8”字环形行波腔结构，使得激光器能够更为有效地提取增益介质区内的激活粒子，提高选线激光的输出功率，其具有结构紧凑、功率高，光束质量好、稳定性高等特点，可广泛应用于激光物理、激光化学、材料加工等领域。

Description

一种用于化学激光装置的选线环形腔

技术领域

本发明属于化学激光器件领域，具体涉及一种用于化学激光装置的选线环形谐振腔。

背景技术

化学激光器自问世以来，因应用前景广泛而得到迅速的发展。化学激光器具有许多显著的优点，能量转换效率和输出功率都很高，可放大性好，通常工作在大气传输良好的中红外波段且激光谱线丰富，是目前为止应用的最高输出功率的激光器。中红外化学激光器由于各谱线增益系数比较接近，通常是多谱线运转，如果需要选择某一支跃迁谱线，需要在腔内放置色散元件，用以抑制其它谱线的跃迁。闪耀光栅由于其具有很好的定向衍射能力，使用闪耀光栅选线是选线激光器中比较常见的方法。

使用闪耀光栅进行选线，需满足光栅方程（其中θ分别是入射角和衍射角，d为刻线间距离1/300mm，m为衍射级次），对于一般的直线型驻波腔，闪耀光栅一般以Littrow方式工作，即满足入射角和衍射角θ相等的谱线才能在腔内实现振荡，实现激光器的选线输出。由于闪耀光栅的一级衍射效率只能达到90%左右，腔内损耗比较大，因此不适合用来实现增益较小的谱线输出。相反，采用光栅一级衍射振荡、零级衍射耦合输出的方法，腔内损耗较小，适用于增益系数较低的谱线输出。并且，目前的选线激光器大都采用驻波腔结构，其噪声较大、阈值较高，光束质量也并不优良。相对而言，行波腔光束质量好，相对强度噪声低，且阈值较低，还可以提高激光器的光谱纯度、压缩线宽，更利于激光器单线单模运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于化学激光装置的选线环形腔，使用旋转闪耀光栅，利用利用一级衍射振荡、零级衍射输出的方式实现化学激光器的选线输出。激光器的谐振腔采用四镜矩形行波腔或四镜“8”字环形行波腔结构，使得激光器能够更为有效地提取增益介质区内的激活粒子，提高选线激光的输出功率，具有结构紧凑、功率高，光束质量好、稳定性高等特点。

为实现本发明的目的，具体技术解决方案是：

一种用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于包括：

增益介质区，用于产生不同波长的受激辐射光；

布儒斯特片Ⅰ，用于将所述增益介质区产生的光变为振动方向平行于入射面的线偏振光；

闪耀光栅，用于选取所述布儒斯特片Ⅰ产生的线偏振光的一级衍射波长的光以及将一级衍射波长的光输入给平面反射镜；

两个平面反射镜，一个平面反射镜用于汇聚所述闪耀光栅选取的光，并将汇聚的光输出到另一个到平面反射镜上；另一个平面反射镜将光反射到平凹反射镜上；

平凹反射镜，用于将所述至少一个平面反射镜输入的光汇聚在布儒斯特片上；

布儒斯特片Ⅱ，用于将平凹反射镜反射汇集的线偏振光进入所述增益介质区。

本发明的上述技术方案中，为了进一步的优选，所述选线环形腔为矩形行波腔；其中，所述矩形行波腔是平面反射镜Ⅰ将汇聚所述闪耀光栅选取的光反射到平面反射镜Ⅱ上，所述平面反射镜Ⅱ将平面反射镜Ⅰ输出的光反射到所述平凹反射镜上，所述平凹反射镜将平面反射镜Ⅱ输出的光反射到所述闪耀光栅上。

本发明的上述技术方案中，所述平凹反射镜和闪耀光栅之间的光路、所述平面反射镜Ⅰ和平面反射镜Ⅱ之间的光路通过所述增益介质区。

本发明的上述技术方案中，为了进一步的优选，所述选线环形腔为“8”字环形行波腔；其中，所述“8”字环形行波腔是平面反射镜Ⅱ将汇聚所述闪耀光栅选取的光反射到平面反射镜Ⅰ上，所述平面反射镜Ⅰ将平面反射镜Ⅱ输出的光反射到所述平凹反射镜上，所述平凹反射镜将平面反射镜Ⅰ输出的光反射到所述闪耀光栅上。所述闪耀光栅一级衍射输出的光与所述平面反射镜输出的光相交叉。

所述闪耀光栅和平面反射镜Ⅱ之间的光路、平面反射镜Ⅱ和平面反射镜Ⅰ之间的光路、平面反射镜Ⅰ和平凹反射镜之间的光路、平凹反射镜和闪耀光栅之间的光路均通过增益介质区。

本发明的上述技术方案中，具体地，通过旋转闪耀光栅来实现激光器的选线输出。

本发明的上述技术方案中，更具体地，在闪耀光栅的零级衍射耦合输出的方向上设有平面反射镜Ⅲ，用于调变输出光的角度。

本发明中所述布儒斯特片Ⅰ和布儒斯特片Ⅱ与光轴的夹角为60.5°。

本发明激光装置的工作过程如下：闪耀光栅被放置在电动转台上，其衍射角度被调整为选线波长所对应的衍射角，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），对于一般的直线型驻波腔，闪耀光栅一般以Littrow自准直方式工作，即满足入射角和衍射角θ相等的谱线才能在腔内实现振荡，实现激光器的选线输出。当激光器工作时，由化学反应所产生的增益介质区内的激活介质产生不同波长的受激辐射光，当这些辐射光入射到闪耀光栅上时，满足闪耀光栅一级衍射波长的辐射光被衍射到腔内平面反射镜上，经腔内另一平面反射镜反射和平凹反射镜反射后，再一次进入增益介质区内提取激活粒子并入射到光栅发生衍射，而其它波长的辐射光由于其衍射角不同，被闪耀光栅衍射或被其他平面反射镜反射出谐振腔外。被选波长的光在闪耀光栅、两平面反射镜、平凹反射镜所组成的环形腔之间形成振荡，并通过提取增益介质区内的激活粒子进行放大，最后通过闪耀光栅的零级衍射耦合输出，并由腔外平面反射镜调整输出激光的方向。

所述的闪耀光栅为铜基底平面刻划光栅，一级衍射效率大于90%。

所述的闪耀光栅放置在电动转台上，通过旋转其角度调整衍射角。

所述的环形腔为平凹稳定行波腔。

所述的腔外平面反射镜放置在电动转台上，通过旋转其角度调整选线激光的输出方向。

本发明具有以下优点：

1、采用闪耀光栅一级衍射振荡，零级衍射作为耦合输出的选线方法，可以有效降低谐振腔内的光学损耗，尤其适用于增益较弱的谱线的选线输出；

2、激光谐振腔采用行波腔，与驻波腔相比具有输出激光光束质量好、强度噪声低、阈值低等优点，还可以提高激光器的光谱纯度、压缩线宽，更利于激光器单线单模运行；

3、谐振腔采用四镜矩形行波腔或四镜“8”字环形行波腔结构，使得光路多次穿过增益介质区，能够更为有效地提取增益介质区内的激活粒子，提高选线激光的输出功率。

附图说明

本发明附图2幅，

图1为本发明用于化学激光装置的选线四镜矩形腔的结构示意图；

图2为本发明用于化学激光装置的选线四镜“8”字形腔的结构示意图。

具体实施方式

如附图1所示，本发明用于化学激光装置的选线四镜矩形腔的结构包括：增益介质区601，布儒斯特片Ⅰ701，闪耀光栅101，两个平面反射镜201、202，平凹反射镜401，布儒斯特片Ⅱ501，平面反射镜Ⅲ801。

闪耀光栅101被放置在电动转台上，其衍射角度被调整为选线波长所对应的衍射角。激光器工作时，由化学反应所产生的增益介质区601内的激活介质产生不同波长的受激辐射光，这些辐射光经过布儒斯特片Ⅰ701变为振动方向平行于入射面的线偏振光，当这些线偏振光入射到闪耀光栅101上时，满足闪耀光栅101一级衍射波长的辐射光被衍射到腔内平面反射镜Ⅰ201上，经腔内另一平面反射镜反射Ⅱ202和平凹反射镜反射401后，穿过布儒斯特片Ⅱ501再一次进入增益介质区601内提取激活粒子并入射到闪耀光栅101上发生衍射，形成环形传输。而其它波长的辐射光，由于闪耀光栅101对其衍射角度不同，被闪耀光栅101衍射或被其它反射镜反射出谐振腔外。被选波长的光在闪耀光栅101、平面反射镜Ⅰ201、平面反射镜Ⅱ202、平凹反射镜401所组成的四镜矩形腔之间形成振荡。平面反射镜Ⅰ201和平面反射镜Ⅱ202之间的光路、平凹反射镜401和闪耀光栅101之间的光路均通过增益介质区601提取激活粒子进行放大，腔内的振荡光通过闪耀光栅101的零级衍射耦合输出，并由腔外平面反射镜801调整输出激光的方向。

如附图2所示，本发明用于化学激光装置的选线四镜“8”字形腔的结构包括：增益介质区602，布儒斯特片Ⅰ702，闪耀光栅102，两个平面反射镜203、204，平凹反射镜402，布儒斯特片Ⅱ502，平面反射镜Ⅲ802。

激光器工作时，增益介质区602内产生的被选波长的辐射光经过布儒斯特片Ⅰ702变为线偏振光后入射到闪耀光栅102上，由闪耀光栅102一级衍射到腔内平面反射镜Ⅱ204上，经腔内平面反射镜反射Ⅰ203反射至平凹反射镜402，并由平面反射镜402反射，穿过布儒斯特片Ⅱ502再一次进入增益介质区602内提取激活粒子并入射到闪耀光栅102上发生衍射，形成传输。而其它波长的辐射光均被衍射或反射出谐振腔外。被选波长的光在闪耀光栅102、平面反射镜Ⅱ204、平面反射镜Ⅰ203、平凹反射镜402所组成的四镜“8”字形腔之间形成振荡。闪耀光栅102和平面反射镜Ⅱ204之间的光路、平面反射镜Ⅱ204和平面反射镜Ⅰ203之间的光路、平面反射镜Ⅰ203和平凹反射镜402之间的光路以及平凹反射镜402和闪耀光栅101之间的光路均通过增益介质区602提取激活粒子进行放大，环形腔内的振荡光通过闪耀光栅102的零级衍射耦合输出，并由腔外平面反射镜802调整输出激光的方向。

本发明适用于具有较小增益系数的激光器选线输出，激光器的谐振腔采用环形腔结构，能够更为有效地提取增益介质区内的激活粒子，提高选线激光的输出功率，且具有结构紧凑、功率高，光束质量好、稳定性高等特点。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 (8)

1.一种用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于包括：

增益介质区（600），用于产生不同波长的受激辐射光；

布儒斯特片Ⅰ（700），用于将所述增益介质区（600）产生的光变为振动方向平行于入射面的线偏振光；

闪耀光栅（100），用于选取所述布儒斯特片Ⅰ（700）产生的线偏振光的一级衍射波长的光以及将一级衍射波长的光输入给平面反射镜（200），并将放大后的光在闪耀光栅（100）的零级衍射耦合输出；

两个平面反射镜（200），一个平面反射镜用于汇聚所述闪耀光栅（100）选取的光，并将汇聚的光输出到另一个到平面反射镜上；另一个平面反射镜将光反射到平凹反射镜（400）上；

平凹反射镜（400），用于将所述平面反射镜（200）输入的光汇聚在布儒斯特片（500）上；

布儒斯特片Ⅱ（500），用于将平凹反射镜（400）反射汇集的线偏振光进入所述增益介质区（600）。

2.根据权利要求1所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：所述选线环形腔为矩形行波腔；其中，所述矩形行波腔是平面反射镜Ⅰ（201）将汇聚所述闪耀光栅（101）选取的光反射到平面反射镜Ⅱ（202）上，所述平面反射镜Ⅱ（202）将平面反射镜Ⅰ（201）输出的光反射到所述平凹反射镜（401）上，所述平凹反射镜（401）将平面反射镜Ⅱ（202）输出的光反射到所述闪耀光栅（101）上。

3.根据权利要求2所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：所述平凹反射镜（401）和闪耀光栅（101）之间的光路、所述平面反射镜Ⅰ（201）和平面反射镜Ⅱ（202）之间的光路均通过所述增益介质区（601）。

4.根据权利要求1所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：所述选线环形腔为“8”字环形行波腔；其中，所述“8”字环形行波腔是平面反射镜Ⅱ（204）将汇聚所述闪耀光栅（102）选取的光反射到平面反射镜Ⅰ（203）上，所述平面反射镜Ⅰ（203）将平面反射镜Ⅱ（204）输出的光反射到所述平凹反射镜（402）上，所述平凹反射镜（402）将平面反射镜Ⅰ（203）输出的光反射到所述闪耀光栅（102）上。所述闪耀光栅（102）一级衍射输出的光与所述平面反射镜Ⅰ（203）输出的光相交叉。

5.根据权利要求4所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：所述闪耀光栅（102）和平面反射镜Ⅱ（204）之间的光路、平面反射镜Ⅱ（204）和平面反射镜Ⅰ(203)之间的光路、平面反射镜Ⅰ（203）和平凹反射镜（402）之间的光路、平凹反射镜（402）和闪耀光栅（102）之间的光路均通过增益介质区（602）。

6.根据权利要求1所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：通过旋转闪耀光栅（100）来实现激光器的选线输出。

7.根据权利要求1～6任一所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：在闪耀光栅（100）的零级衍射耦合输出的方向上设有平面反射镜Ⅲ（800），用于调变输出光的角度。

8.根据权利要求7所述的用于化学激光装置的选线环形腔，其特征在于：通过改变平面反射镜Ⅲ（800）的角度来调整激光的输出方向。