CN104283098A - 一种横流气体机械调q脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种横流气体脉冲激光器的实现方法，在增益介质流动方向上，将增益区分为上游增益区和下游增益区，在下游增益区两侧有激光谐振腔组件，构成谐振腔，通过机械调制的方法实现激光脉冲输出。而上游增益区有凹面镜、凸面镜和刮刀镜，构成正支非稳腔组件，其中凹面镜中心留有小孔。在下游谐振输出的激光，经过缩束光学系统，将光斑尺寸缩小，将缩束后的激光光束通过上游增益区凹面镜的小孔注入到上游增益区，注入的激光光束在上游正支非稳腔内进行振荡，使得激光能量和束斑均得到放大，实现高能脉冲激光输出。

Description

一种横流气体机械调Q脉冲激光器

技术领域

本发明涉及脉冲激光器的实现方法，具体地说是一种横流气动激光脉冲化的方法,主要用于CO₂激光器、化学氧碘激光器（COIL）、HF/DF激光器等气体激光器上。

背景技术

从工作时间上激光器可以分为脉冲激光和连续激光，两种形式的激光具有各自不同应用和不同技术优势。一般情况下，脉冲激光要比连续波激光器复杂，需要一定的调Q装置，以实现脉冲激光。另一方面，脉冲激光具有较高的峰值功率，但整体能量效率不高。

目前连续波脉冲化的调Q方法较多，如：声光调Q、染料调Q、斩波调Q等方法，这些方法都需要一定特殊装置，不是实施过程较复杂，就是能量损失较大。而在高能横流气动激光器上，染料调Q等方法更显得无能为力。

发明内容

为了解决上述不足，本发明的目的是提供一种横流高能气体脉冲化激光器的实现方法，减小激光的能量损失，提高激光器脉冲能量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种横流高能气体脉冲化激光器的实现方法，用于横流气体激光器，在增益区增益介质流动方向上，将横流气体激光器的增益区分为上游增益区和下游增益区，在下游增益区两侧设置有激光谐振腔组件A及相应的机械调制装置，在下游增益区及谐振腔组件B构成激光器，再经过机械调Q实现脉冲激光输出；

在下游脉冲输出的激光，经过缩束光学系统，将光斑尺寸缩小，提供激光功率密度，经折返镜将下游的脉冲激光通过凹面镜的小孔输入到上游增益区作为种子激光，种子激光在上游增益区由两个腔镜构成的两个正支非稳腔内，进行来回反射，其能量和光斑均得到放大，最后通过刮刀镜得到输出，实现增益区上游的能量提取，实现高能脉冲能量输出；

但在下游不起振时，流入上游介质所存储的能量无提取，就是激光能量流入储能过程，同时经过上游流入下游无能量提取的增益介质，其增益较高，这样下游就为增益区下游再次产生高能脉冲激光准备能量条件。进而实现下游的起振-脉冲激光输出-上游的能量放大及能量提取-下游不起振-储能-下游再起振的重复调制高能脉冲输出过程。为了进一步提高下游增益区的起振阈值，提高单脉冲能量，在下游设置斩波器，通过斩波片的转动，实现脉冲的深度调制，实现调制周期与更换介质的周期一致，但脉冲占空比与能量的最大提取时间相一致。

所述增益介质由设置于上游增益区外侧的增益介质发生器提供；增益介质发生器可为电泵浦CO₂、超音速氧碘激光增益发生器或HF/DF燃烧气动增益发生器等，对应的横流气体激光器可为CO2激光器、氧碘化学激光器或HF/DF激光器等。

所述激光器主要是下游增益区与上游增益区相比较，上游增益区的增益较高，适合于激光能量的放大；

所述在下游增益区通体机械调制方法产生具有较高能量的脉冲激光，此光束经过光学缩束系统，转变为小束斑、高能量密度的种子光；

所述在上游增益区两侧放置凹面反射镜、凸面反射镜和一个刮刀镜，构成激光非稳腔谐振腔B。该非稳腔耦合输出率大于腔内增益，因此在增益介质流入到该非稳腔时不能形成自激振荡，只有在种子光注入后，通过腔镜来回反射，使得种子光多次往返于上流增益区，因此其能量和束斑得到放大，最后在刮刀镜得到激光能量输出；

所述种子光通过上游增益区一侧凹面反射镜上的小孔，注入到上游增益区中，注入种子光一侧的反射镜中心留有小孔，小孔的中心与非稳腔光轴重合，其直径略大于种子光斑直径；

所述谐振反射镜设置于增益区的外侧。激光谐振腔组件的放大率根据激光器的实际情况及需求选取，本发明下游增益区谐振腔既可以采用稳定腔型又可采用非稳腔型。本发明采用振-放式结构，实施结构简单，而光学谐振腔的具体形式可以根据实际情况自行选择。

本发明具有以下优点：

1.实施简单。采用激光自身的谐振腔设计和优化，即能够实现本方案，无须其他相关技术手段。

2.光学谐振采用振-放式结构。该方案激光振荡在下游，再将下游的振荡产生的脉冲激光反馈给上游，在上游采用自身不起振的非稳腔，实现对注入种子光的多次放大和能量提取。

3.采用自身产生的高功率密度激光光束，对自身存储能量的提取，能量提取效率高、光波长匹配性好。

4.充分利用增益介质流动性。增益介质流进增益区就是激光能量流入过程，如果下游没有激光脉冲输出，就是激光储能过程，则在上游将已经储存T时间能量进行提取，这也正是激光压缩脉宽过程。增益区的结构设计，和能量注入提取方式，自身就具备较强的周期性，再通过机械调制在下游产生脉冲激光，周期性好，脉冲能量高，这样有利于减小激光能量损失，提高激光峰值功率。

附图说明

图1为高能横流自脉冲激光器谐振腔原理示意图；

图2为高能横流自脉冲激光器上游两次折叠提取原理示意图。

具体实施方式

本发明依据横流气动激光器增益介质流动的特点，在空间上充分考虑激光脉冲化的单脉冲模体积，即激光增益介质的空间体积，已增加其脉冲能量。如果能够将脉冲间隔T时间内所流出增益介质的能量单脉冲内提取出来，这就是实现这类激光脉冲化的理想方案，同时T的增大也必然带来单脉冲能量的增加，但从另一方面讲由于增益介质的自发辐射、淬灭等因素带来介质增益的衰减，因此时间T需要根据增益介质性质及介质流速的具体条件来确定。而横流激光器增益介质的特点是上游增益介质增益高，下游增益低。所以提出了下游光腔采用机械调制实现脉冲激光（如图1所示），再进行激光束缩束，使其在高增益的上游得到激光能量的放大，实现较高能量的脉冲输出。而上、下游增益区增益下降，这时通过机械调制无激光输出，这样上游介质的增益没有提取，有利于介质的储能，使得上游增益区和流到下游增益区增益介质都具有较高的增益，通过机械调制实现脉冲激光输出，然后再经过上游增益区放大，形成循环反复的脉冲激光输出过程。其机械调制频率为：增益介质流动速度v比增益区在流动方向的长度L，其压缩比为机械调制的占空比。

本发明工作原理是：采用振-放的工作模式，利用光学谐振腔的巧妙设计，实现高能激光脉冲在高增益区内多次振荡放大，以实现激光上游增益区能量的有效提取。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明由增益介质发生器1，上游增益区2，下游增益区3，下游激光谐振腔A，缩束系统5，机械调制的斩波器6，一对垂直设置的折返镜7，上游非稳腔组件B构成（如图1所示）。

在下游增益区3激光光束经第一凹面全反镜聚焦在增益区外形成一实焦点，斩波器6置于实焦点处，通过实焦点后发散的光束经第二凹面全反镜9的反镜按原光路返回，形成光学谐振腔A；

在斩波器6的机械调制下，光学谐振腔A内形成激光振荡，经耦合输出镜4-1输出脉冲激光。

增益介质发生器1对于不同体系的激光器其形式不同，主要是产生具有横流特性的激光增益介质，其具体形式不受限制，如：电泵浦CO₂，超音速氧碘激光增益发生器，HF/DF燃烧气动增益发生器等（本例采用超音速氧碘激光增益发生器）。增益介质发生器1产生的增益介质流经上游增益区2,再流经下游增益区3，最后流出增益区。激光谐振腔A位于下游增益区3的两侧，是下游增益区3的谐振腔，提出下游增益区能量输出脉冲激光。激光光束在增益区外形成一实焦点，在实焦点位置放置斩波器6，实焦点与反射镜9的球心重合，反射镜9使得激光光束按照原来返回，反射镜9是激光谐振腔A过程部件之一。下游输出的脉冲激光经缩束系统5形成直接0.5-3mm的光束束斑，经折返镜7后，经过上游非稳腔组件B中一面反射镜(8-1)的小孔，其小孔直径比光束直径大0.1mm左右，进入到上游增益区中，在上游非稳光学谐振腔B的两面反射镜之间往复振荡，实现增益区能量的多次提取。上游非稳光学谐振腔B由凹面镜8-1、凸面镜8-2和刮刀镜8-3构成。根据对激光模式的不同需求和激光增益介质的特性，可以选择不同激光谐振腔B，构成稳定腔或非稳腔。所有激光波长反射镜均镀制高反膜。上游非稳光学谐振腔B的放大率选取依据上游增益长度和增益介质的增益系数，在无光注入时，上游增益介质在上游非稳光学谐振腔B的条件下，不能构成起振，因此由上游非稳光学谐振腔B产生放大衍射输出大于上游区的增益。斩波器6的转速与其上斩波片孔的孔的数量乘积等于增益介质流动速度v比增益区在流动方向的长度L，通过斩波片上孔的大小来调整占空比，一般占空比在1%左右。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同之处在于：如果上游增益区2沿气流方向较长，为其增益区高两倍时，可以采用折叠非稳腔，使上游增益区沿增益介质流动方向长度扩大一倍，而采用激光光束在上游折叠方法提取上游的能量。这样上游非稳光学谐振腔B由凹面镜8-1、两面折反镜7、凸面镜8-2和刮刀镜8-3构成。两面折反镜7放置下游增益区3一侧，而凹面镜8-1、凸面镜8-2和刮刀镜8-3同放在下游激光注入一侧。

Claims (9)

1.一种横流气体机械调Q脉冲激光器，包括光学谐振腔A，于光学谐振腔A内垂直于激光光轴方向通入有增益介质形成下游增益区（3），增益区增益介质流动方向垂直于激光光轴方向；其特征在于：

于光学谐振腔A外部增益介质的流入方向上设有光学谐振腔B，于光学谐振腔B内垂直于激光光轴方向流经有增益介质形成上游增益区（2），增益区增益介质流动方向垂直于激光光轴方向；即在增益区增益介质流动方向上，将横流气体激光器的增益区分为上游增益区（2）和下游增益区（3）；

在下游增益区（3）内经光学谐振腔A形成激光振荡输出激光，输出的激光经过折返镜折返后注入光学谐振腔B内，于上游增益区（2）内经光学谐振腔B使激光振荡放大后输出。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

在下游增益区（3）两侧相对设置有耦合输出镜（4-1）、第一凹面全反镜（4-2），于下游增益区（3）外侧设置有第二凹面全反镜（9）和斩波器（6），

在下游增益区（3）激光光束经第一凹面全反镜聚焦在增益区外形成一实焦点，斩波器（6）置于实焦点处，通过实焦点后发散的光束经第二凹面全反镜（9）的反镜按原光路返回，形成光学谐振腔A；

在斩波器（6）的机械调制下，光学谐振腔A内形成激光振荡经耦合输出镜输出脉冲激光。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于：

光学谐振腔A输出的激光经缩束系统（5）再经过折返镜折返后注入光学谐振腔B内；

所述缩束系统（5）包括沿光路方向依次设置的聚焦透镜和发散透镜，激光经过缩束系统（5）形成高功率密度的小束斑；所述折返镜（7）为二个成对垂直设置的折返镜（7）。

4.根据权利要求2或3所述的激光器，其特征在于：

在上游增益区（2）两侧相对设置有凸面全反镜、第三凹面全反镜（8-1），于上游增益区（2）与凸面全反镜间设有刮刀镜，形成非稳腔，即光学谐振腔B；

或，在上游增益区（2）一侧设置有凸面全反镜、第三凹面全反镜（8-1），在另一侧设有二个成对垂直设置的折返镜（7），二个折返镜（7）分别与凸面全反镜、第三凹面全反镜相对应放置，于上游增益区（2）与凸面全反镜间设有刮刀镜，形成非稳腔，即光学谐振腔B；

在第三凹面全反镜（8-1）的几何中心设有通孔，经折返镜折返的激光经通孔注入光学谐振腔B内，进入到上游增益区（2），通过凸面全反镜和第三凹面全反镜在上游增益区得到反复振荡，实现激光增益放大，实现能量的脉冲提取，通过刮刀镜实现高能脉冲激光输出。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述增益介质由设置于上游增益区（2）外侧的增益介质发生器（1）提供。

6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于：

所述增益介质发生器（1）为电泵浦CO₂、超音速氧碘激光增益发生器或HF/DF燃烧气动增益发生器。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述激光器主要是下游增益区（3）在谐振腔组件的条件下起振输出的激光光束，通过斩波器（6）的调制，产生脉冲种子光，具体同一套系统即产生种子光又具有放大器的特征，不存在被放大光波长不匹配的问题；

下游输出脉冲光经过缩束系统（5）进行缩束形成直径0.5-3mm的光束束斑，提高功率密度，这有利于激光束在上游增益区（2）放大和能量提取；

缩束后的激光束通过上游非稳腔组件中第三凹面全反镜（8-1）留有的小孔进入上游增益区（2），小孔的直径比束斑直径大2mm左右；

上游非稳腔组件设置在上游增益区（2）两侧，下游产生的缩束后脉冲光，将在上游非稳腔组件反射镜间形成振荡，激光束的能量和束斑将得到多次放大；

但上游增益区（2）在有上游非稳腔组件的条件下，不能产生自激振荡而形成激光输出，这主要通过非稳腔的放大率来控制，要求非稳腔放大输出耦合率大于增益池的增益系数。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：激光器发出的激光频率取决于增益介质流速与增益区长度的比，激光频率的实现是通过斩波器（6）的转速和其上斩波片孔的数量。

9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

在下游增益区不起振时，流入上游增益区的介质的增益能量无提取，就是激光能量流入过程，同时经过上游流入下游无能量提取的增益介质，其增益较高，为下个脉冲输出作能量的储备，这样下游再次起振时，就会有较高脉冲能量，再经过上游增益区的放大，进而实现高的脉冲能量输出。