CN104064948B - 一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，该装置采用稳定腔结构，沿激光的输出方向依次设置有平凹反射镜、布儒斯特片、增益介质、布儒斯特片、光阑、平面衍射光栅。在平面衍射光栅的一级衍射光路上依次设置有离轴抛物面反射镜、快门系统、平面反射镜。本发明激光装置使用固定衍射光栅，利用衍射光栅对不同波长激光的衍射角不同，通过快门系统对不同波长支线的控制选择，实现气流化学激光的选线输出，其具有结构紧凑、优良的光束质量、稳定性高、可实现激光的快速选线输出等特点，可广泛应用于激光材料加工、环境监测等领域。
Description
技术领域
本发明属于化学激光器件领域，具体涉及一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔。
背景技术
气流化学激光器工作在1～12μm的宽红外谱范围，具有高功率、高效率、较好的大气传输窗口等优点，广泛应用于激光物理、激光医疗、激光对抗等领域。目前，绝大多数气流化学激光器如HF/DF激光器、HBr激光器、CO2激光器等均是多谱线输出，而在实际工作中往往要求激光器以某些特定波长单谱线运转，在这种情况下选线激光器变得十分重要。
目前实现气流化学激光选线输出的方法主要有：调节混合气流参数选线，腔镜镀膜（腔内滤光片）选线，光栅选线等。调节激光器工作气体如气体配比、气流大小等参数可以使得输出激光的波长向目标波长移动，提高目标波长激光的输出功率，但这种方法无法对其它波长谱线的振荡起到完全抑制的效果，无法实现激光器单谱线输出。使用腔镜镀膜或腔内放置滤光片的方法原则上可以实现单线激光输出，但在中远红外范围，加工这种分辨精度要求较高的腔镜或滤光片十分困难，因此限制了这种方法的应用。衍射光栅具有极高的分辨本领，将其作为谐振腔的组成部分，利用不同谱线衍射角度的不同可以实现所需谱线的单线输出。目前实现光栅选线输出的方法主要有旋转光栅和扫描光栅两种，这两种方法由于安装光栅和扫描元件的机械结构存在重复定位精度问题，并且某些特定场合要求不同波长的谱线快速选线输出，这使得采用这种方法实现选线输出的激光器的稳定性无法得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔。该装置可以在谐振腔内的光学元件无机械运动的前提下，实现激光器的选线输出，具有结构紧凑、高效率、高稳定性等特点。
为实现本发明的目的，具体技术解决方案是：
一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，包括平凹反射镜、平面反射镜，所述平凹反射镜和平面反射镜组成谐振腔，在所述谐振腔内设置有增益介质区和腔内光学元件；其特征在于：所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ、布儒斯特片Ⅱ、光阑、平面衍射光栅；离轴抛物面反射镜和快门系统组成；所述布儒斯特片Ⅰ设置在所述平凹反射镜和增益介质区之间；邻近增益介质区的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ、光阑、平面衍射光栅；在所述平面衍射光栅的一级衍射光路上依次设置离轴抛物面反射镜、快门系统和平面反射镜；
或
所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ、布儒斯特片Ⅱ、平凸反射镜、平面衍射光栅和快门系统组成；所述布儒斯特片Ⅰ设置在所述平凹反射镜和增益介质区之间；邻近增益介质区的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ、平凸反射镜、平面衍射光栅；在所述平面衍射光栅的一级衍射光路上依次设置快门系统和平面反射镜；其中，所述平凸反射镜内设有圆台型通孔，所述圆台型通孔中心与光轴中心相对。
本发明激光装置的工作过程如下：所述的平凹反射镜、布儒斯特片Ⅰ与所述的布儒斯特片Ⅱ、光阑、平面衍射光栅、离轴抛物面反射镜、快门系统、平面反射镜分别设置在两个真空室内，这两个真空室分别与激光器的增益介质区相连接。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，由于受激辐射所产生光的波长不同，经过闪耀光栅一级衍射后分别以不同的衍射角度射出，经过离轴抛物线反射镜变为彼此平行的辐射光。这些辐射光通过快门系统，经平面反射镜反射原路返回到谐振腔内，进行振荡放大，形成稳定的振荡光。通过控制快门系统中电子快门的开关，即可对所需谱线的振荡进行控制，最终激光由闪耀光栅零级耦合输出。
所述的布儒斯特片Ⅰ和Ⅱ为Al2O3材料，其尺寸为80×50×3mm3。所述的布儒斯特片Ⅰ和布儒斯特片Ⅱ所在的平面分别与光轴形成的夹角为60.5°。
所述的平面衍射光栅为针对于HF激光器的光栅刻线数为300线/mm原刻闪耀光栅，其面积为50×50mm2，闪耀波长为2.8μm，一级衍射效率为91%，其基底为铜基底。
所述的光阑为圆台形光阑，光阑内表面抛光，外表面做喷砂处理，材料为304不锈钢，其水平、竖直位置手动可调。
所述的快门系统由电子快门和快门控制器组成，快门控制器的触发信号由计算机给出。
本发明激光装置通过控制快门系统中电子快门的开关，对激光器谐振腔内的振荡光进行选择性控制，可以获得稳定的化学激光的选线输出。其中，快门系统购于西格玛光机的SSH-C4B型快门系统。
本发明具有以下优点：
1、激光器采用光栅选线的方法，能够非常有效地将相邻波长（几nm至几十nm）的谱线区分开来，通过抑制其它波长谱线的振荡来实现激光器的选线输出。
2、激光器谐振腔内没有使用机械运动装置，避免了旋转或扫描光栅实现激光选线输出所存在的重复定位精度的问题，可以得到较为稳定的激光输出。
3、利用电子快门的开关来实现目标波长激光的选择输出，并未对腔内其它光学元件产生影响，其控制方法简单，谱线切换快捷。
4、选择闪耀光栅的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，尤其对于增益较弱的谱线，这种输出方式非常有效。
附图说明
本发明附图3幅，
图1为本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的光学结构示意图；
图2为本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的装置示意图；
图3为本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的一种变化结构示意图；
其中，1、平凹反射镜，2、布儒斯特片Ⅰ，3、增益介质区，4、布儒斯特片Ⅱ，5、光阑，6、平面衍射光栅，7、离轴抛物面反射镜，8、快门系统，9、平面反射镜，10、燃烧室，11、喷管，12、增益介质工作区，13、扩压真空装置，14、CaF2窗口镜，15、左真空室，16、左气帘，17、右气帘，18、右真空室，19、CaF2窗口镜，20、平凸反射镜。
具体实施方式
如附图1所示，本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的光学结构包括：包括平凹反射镜1、平面反射镜9，所述平凹反射镜1和平面反射镜9组成谐振腔，在所述谐振腔内设置有增益介质区3和腔内光学元件；所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ2、布儒斯特片Ⅱ4、光阑5、平面衍射光栅6；离轴抛物面反射镜7和快门系统8组成；所述布儒斯特片Ⅰ2设置在所述平凹反射镜1和增益介质区3之间；邻近增益介质区的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ4、光阑5、平面衍射光栅6；在所述平面衍射光栅6的一级衍射光路上依次设置离轴抛物面反射镜7、快门系统8和平面反射镜9。
如附图2所示，本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的装置结构包括：在增益介质区3沿气体流动方向依次设置有燃烧室10、喷管11、增益介质工作区12和扩压真空装置13。垂直气体流动方向由左至右依次设置有：CaF2窗口镜14、左真空室15、左气帘16、右气帘17、右真空室18以及CaF2窗口镜19。平凹反射镜1、布儒斯特片Ⅰ2放置在增益介质区3的左真空室15内，布儒斯特片Ⅱ4、光阑5、平面衍射光栅6、离轴抛物面反射镜7、快门系统8、平面反射镜9放置在增益介质区3的右真空室18内。左真空室15上的CaF2窗口镜14及右真空室18上的CaF2窗口镜19通过光轴中心。
化学反应介质在超音速喷管出口处发生化学反应，在较宽的波长范围内产生受激辐射。增益介质工作区12内的辐射光经过右真空室内的布儒斯特片Ⅱ4后变为线偏振光，经圆台形光阑5后入射到闪耀光栅6上，对于光栅方程（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），以同一入射角入射的不同波长的光，其一级衍射角不同，在辐射光一级衍射的出射位置放置90°离轴抛物线反射镜7，使光栅衍射出的不同角度的辐射光变为彼此平行的光束，这些光束通过电子快门后，经平面反射镜9反射，经光栅的一级衍射原路返回到增益介质工作区12内，通过左真空室内的布儒斯特片Ⅰ2，经平凹反射镜1发射后重新回到增益介质工作区内，完成一次振荡。通过计算机给出的信号控制电子快门控制器来实现电子快门的开关，从而对所需波长的谱线进行选择。被选择波长的辐射光在平凹反射镜1和平面反射镜9之间振荡放大，并从闪耀光栅6的零级衍射耦合输出。通过调节电子快门的开关速度，可以实现不同波长激光的快速切换输出。
图3为本发明适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔的一种变化结构示意图。这种装置主要针对有两种不同波长激光选线输出的情况，如图3所示其包括：所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ2、布儒斯特片Ⅱ4、平凸反射镜20、平面衍射光栅6和快门系统8组成；所述布儒斯特片Ⅰ2设置在所述平凹反射镜1和增益介质区3之间；邻近增益介质区3的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ4、平凸反射镜20、平面衍射光栅6；在所述平面衍射光栅6的两条一级衍射光路上，一条设置快门系统81和平面反射镜91，另一条设置快门系统82和平面反射镜92；其中，所述平凸反射镜20内设有圆台型通孔，所述圆台型通孔中心与光轴a中心相对。腔内不同波长的两路辐射光经平面衍射光栅6一级衍射后入射到平凸反射镜20的凸反射面上，经反射后的两路出射光分别通过快门系统81和82，经平面反射镜91和92反射原路返回腔内，通过控制电子快门的开关，从而实现两束不同波长的激光切换输出。
本发明可以在谐振腔内光学元件无机械运动的条件下实现气流化学激光的选线输出，并且具有结构紧凑、高效率、高稳定性等特点。本发明可以应用于HF/DF激光器、HBr激光器、CO2激光器等系统。
Claims (6)
1.一种适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，包括平凹反射镜(1)、平面反射镜(9)，所述平凹反射镜(1)和平面反射镜(9)组成谐振腔，在所述谐振腔内设置有增益介质区(3)和腔内光学元件；其特征在于：所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ(2)、布儒斯特片Ⅱ(4)、光阑(5)、平面衍射光栅(6)、离轴抛物面反射镜(7)和快门系统(8)组成；所述布儒斯特片Ⅰ(2)设置在所述平凹反射镜(1)和增益介质区(3)之间；邻近增益介质区(3)的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ(4)、光阑(5)、平面衍射光栅(6)；在所述平面衍射光栅(6)的一级衍射光路上依次设置离轴抛物面反射镜(7)、快门系统(8)和平面反射镜(9)；
或
所述腔内光学元件由布儒斯特片Ⅰ(2)、布儒斯特片Ⅱ(4)、平凸反射镜(20)、平面衍射光栅(6)和快门系统(8)组成；所述布儒斯特片Ⅰ(2)设置在所述平凹反射镜(1)和增益介质区(3)之间；邻近增益介质区(3)的另一侧依次设置布儒斯特片Ⅱ(4)、平凸反射镜(20)、平面衍射光栅(6)；在所述平面衍射光栅(6)的一级衍射光路上依次设置快门系统(8)和平面反射镜(9)；其中，所述平凸反射镜(20)内设有圆台型通孔，所述圆台型通孔中心与光轴(a)中心相对。
2.根据权利要求1所述的适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，其特征在于：所述的布儒斯特片Ⅰ(2)和布儒斯特片Ⅱ(4)所在的平面分别与光轴(a)形成夹角、且邻近增益介质区(3)的两夹角相等。
3.根据权利要求1所述的适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，其特征在于：增益介质(3)为HF气体、DF气体、HBr气体、或CO2气体。
4.根据权利要求1所述的适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，其特征在于：所述的光阑(5)为圆台形光阑，光阑内表面抛光，外表面做喷砂处理，材料为304不锈钢，其水平、竖直位置可调。
5.根据权利要求1所述的适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，其特征在于：平面衍射光栅(6)为金属基底原刻闪耀光栅，激光由平面衍射光栅(6)的零级衍射耦合输出。
6.根据权利要求1所述的适用于气流化学激光器的可变选线稳定谐振腔，其特征在于：快门系统(8)由电子快门和快门控制器组成，快门控制器的触发信号由计算机给出。
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