CN104779517A - 一种闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，包括放电泵浦源、谐振反射镜、输出腔镜、激光器腔室和供气装置；激光器腔室为方形空腔，其长宽高三个方向分别对应光轴方向、解离方向和气流方向；所述的供气装置为至少一只连接在激光器腔室高度方向两个端面的闭合循环管道，在闭合循环管道中部设置有轴流风机，可将预先充满闭合循环管道的XeF₂气体在管道中循环流动；本发明将激光器的所有管道连接成为封闭的循环管道，利用轴流风机驱动激光混合气体在管道中循环流动，实现了XeF(C-A)激光器的大功率、多脉冲重频运行，同时提高了气体利用率，减小了气体浪费以及造成的环境污染。

Description

一种闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统

技术领域

本发明涉及一种气体闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，属于一种准分子气体激光器，尤其是一种可重频运行的光泵浦XeF(C-A)激光器。

背景技术

XeF(C-A)蓝绿激光器的输出波长为460nm～520nm，处于水下和大气传输窗口，单脉冲能量达到了十焦耳级，与激光水下通信对激光源的要求相吻合，并且还具有增益带宽很宽，输出波长可调谐的优点，因此大功率高重频的XeF(C-A)蓝绿激光器在激光水下通信与水下探测领域有着很好的应用前景。从XeF(C-A)蓝绿激光输出的过程看，XeF₂蒸气分子吸收表面放电产生的真空紫外波段(130～180nm)的光子，光解离形成激光输出后，产生Xe和F，不能再复合生成XeF₂分子，因此在XeF蓝绿激光器重频运行过程中需要XeF₂气体供给装置不断向激光器腔室内补充XeF₂气体，一般地，激光器重复频率较高时，需要大流量的自动化XeF₂气体供给装置。

为了实现XeF(C-A)蓝绿激光器重频运行，2006年第33卷的《中国激光》“十焦耳级重复频率光抽运XeF(C-A)激光器”中公开了一种基于分路混合原理的XeF₂气体供给装置，它的工作原理是将氩氮混合气体分成两路，主气流经流量计和加热器进入预混罐，小流量的支气流经流量计从XeF₂气体发生器中带出XeF₂气体进入预混罐，两路气体在预混罐中混合后流入激光气室。该装置将XeF₂气体浓度控制在1.0×10¹⁷cm³附近同时，可输出最大流量约为十几升每秒，满足了开展Hz级低重频率开放式XeF(C-A)激光器研制工作，文中报道每次实验可输出5个激光脉冲。

但是这种激光器存在以下不足：第一，对XeF₂气体的利用效率不高，由于流入激光室的气体工作面远大于激光解离区的面积，会造成大量的气体浪费，因此对于同样体积的XeF₂气体，输出激光的重复频率和脉冲个数难以提升。第二，实验装置与气源相联，故体积较大，系统的机动性不强；第三，试验产生的尾气直接排放至空气中难以回收，造成了环境污染。

发明内容

本发明提出一种气体闭合循环光泵浦重频运行氟化氙激光系统，解决现有XeF(C-A)激光器只能低重频运行的不足，实现高重复频率运行，并大大提高了输出脉冲的个数。

本发明的技术内容为：

一种闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，包括放电泵浦源、谐振反射镜、输出腔镜、激光器腔室和供气装置；激光器腔室为长方形空腔，其长宽高三个方向分别对应光轴方向、光解离方向和气流方向；所述的放电泵浦源包括一组放电基板及为其供电的电容组；所述的放电基板设置在激光器腔室沿宽度方向的端面上；所述的激光器腔室沿长度方向的两个端面设置有输出窗口，所述的谐振反射镜和输出腔镜分别设置在激光器腔室沿长度方向的最外端；供气装置为至少一只连接在激光器腔室高度方向两个端面的闭合循环管道，在闭合循环管道中部设置有轴流风机，可将预先充满闭合循环管道的含有XeF₂的混合气体在管道中循环流动；

放电泵浦源产生真空紫外辐射光解离激光器腔室内的XeF₂气体，并在谐振反射镜和输出腔镜的谐振作用下形成激光输出。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，激光器腔室的宽度方向约为长度方向的1/10。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，激光器腔室上表面设置有至少一只扁平的进气孔，下表面在对应位置处开有对应的出气孔。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，闭合循环管道包括若干串接在一起的弯管道、直管道和扩展管道，所述的弯管道和直管道在管路上的横截面积保持不变，所述的扩展管道的一端与弯管道联接，另一端与所述进气孔或出气孔相联接。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，扩展管道一端的截面与弯管道的截面相匹配，另一端的截面与所述进气孔或出气孔的尺度相匹配。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，弯管道、直管道的横截面为方形或圆形。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，在轴流风机出口的管路上安装有波纹管。

上述闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统中，供气装置包括两套连接在激光器腔室高度方向两个端面的闭合循环管道。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明将激光器的所有管道连接成为封闭的循环管道，利用轴流风机驱动激光混合气体在管道中循环流动；由于闭合的管道的容积远远大于激活区体积，在气体循环流动过程中可以利用不同区域的激光介质参与反应完成激光器重频输出，实现了XeF(C-A)激光器的大功率、多脉冲重频运行。

2、本发明相对于开放型XeF(C-A)激光器，提高了气体利用率，减小了气体浪费以及避免了环境污染。

3、本发明采用扁平的激光器腔室结构，并配合相对应的闭合循环管道，闭合循环管道包括串接在一起的弯管道、直管道和扩展管道，其中弯管道和直管道的在管路上的横截面积保持不变，并通过扩展管道与激光器腔室相联通，在确保管道截面积不变的前提下，实现了气体的快速流动交换，同时保证了激光器所需要的有效增益长度，最大限度地提高了气体介质的利用率，提升了激光的输出功率和效率。

4、本发明采用多只相对独立的闭合循环管道模块，并与激光器腔室的出气口和进气口一一对应联接，实现了激光器系统的模块化，可通过模块的堆积实现更长有效增益长度的激光器，便于获取更大脉冲能量的激光输出。

附图说明

图1为本发明闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统的主视图；

图2为本发明闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统的侧视图；

图3为本发明闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统的三维结构示意图；

图4为本发明激光系统中激光器腔室的示意图。

附图标记为：

1、放电基板；2、激光器腔室；3、扩展管道；4、弯管道；5、直管道；6、方转圆管道；7、圆形弯管道；8、波纹管；9、锥形圆管、10、轴流风机；11、抽气孔；12、真空计；13、输出窗口；14、电容器；17、输出窗口；20、谐振反射镜；21、输出腔镜；30、光轴方向；31、光解离方向；32、气流方向。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，包括放电泵浦源、谐振反射镜15、输出腔镜16、激光器腔室2和供气装置；其基本工作原理是所述放电泵浦源产生紫外光，解离激光器腔室内的XeF₂气体，并在谐振反射镜20和输出腔镜21的谐振作用下形成激光输出。

如图4所示激光器腔室2为方形空腔，其长宽高三个方向分别对应光轴方向30、解离方向31和气流方向32；其中放电泵浦源包括一组放电基板1及为其供电的电容组14；放电基板1设置在激光器腔室沿宽度方向的两个端面上；激光器腔室沿长度方向的两个端面分别设置有密封用的输出窗口13、17，谐振反射镜20和输出腔镜21分别设置在激光器腔室沿长度方向的最外端；供气装置为至少一只连接在激光器腔室高度方向两个端面的闭合循环管道，在闭合循环管道中部设置有轴流风机，可将预先充满闭合循环管道的XeF₂气体在管道中循环流动。

闭合循环管道包括串接在一起的弯管道、直管道和扩展管道，如图1所示，包括串联在轴流风机两端的锥形圆管9、波纹管8；圆形弯管道7、方转圆管道6、水平管道5、弯管道4和扩展管道3，在管路中还设置有抽气孔11和真空计12。其中弯管道和直管道的在管路上的横截面积基本保持不变，扩展管道3的截面与联接的激光器腔室2的截面尺度相匹配。其中波纹管8的目的在于提高管路联接的冗余，同时起到减震作用。

根据XeF蓝光激光器工作原理，激光器腔室2是光化学反应产生激光辐射的场所，提供重频脉冲XeF激光输出。泵浦源提供激励激活介质的辐射光源，本设计中是分段表面放电光泵浦源，电容器组是激光器的储能单元，用于将电能储存在电容器组中；轴流风机作为闭合循环模式激光器的内部气体流动的动力单元，保证激光介质气体在激光器内部快速流动；气体循环管道用于约束气体流动路径，尽可能保证激光器增益区内实现气体介质均匀置换；激光器腔室是形成XeF蓝光激光增益的区域，激活介质在激光器腔室中被激励并形成自发辐射；输出窗口和激光谐振腔用于在腔内形成激光振荡并将激光提取出去，确保获得大功率XeF蓝光激光输出。

如图4所示，由于XeF蓝绿激光的增益系数较小，为了获得大能量激光脉冲输出，激光器需要较长的有效增益长度，这就要求激光器沿光轴方向的尺寸较大。激光器采用双向泵浦方式，由两侧表面放电泵浦源模块产生紫外光解离XeF₂气体形成激光输出，在激光器工作电压范围内，受到XeF₂解离波发展距离的限制，在垂直于激光光轴的方向，两侧放电基板的间距选择为32mm。另外，要求沿气体流动方向，激光器应具有充足的绝缘距离，激光器腔室高度选为400mm。据上所述，激光腔室的纵向尺寸较大，如采用单台轴流风机为激光器的气体流动提供动力，在激光腔室内实现气体均匀置换较为困难，同时也增大了对风机技术要求，再者如此长的尺寸，增加了激光器放电基板的工程实现难度。

因此，在综合考虑以上因素基础上，设计了模块化的闭合循环管道，并与激光器腔室相匹配。激光器腔室结构分成两个连接在一起的相对独立的腔室，由两个相同的轴流风机分别给它们提供气体流动动力，两个模块的进气口和排气口尺寸设计为450mm×32mm。针对激光器腔室的模块化特点，气体循环管道将采用两套相同的、相互对立的结构，气体循环管道连接轴流风机和激光器腔室，结构设计上需要综合考虑激光器腔室、轴流风机的连接要求和尽可能为激光器腔室中提供均匀流场的气体两个方面。

每个激光器腔室模块的纵向约450mm，横向约32mm，并排设置有两只。相对于风机出口直径，激光腔室模块的纵向尺寸很大，而横向尺寸则小很多。针对这种结构特征，循环管道结构设计如下：纵向方向采用扩展的喇叭结构，将注入段管道从入口150mm分级逐步扩展到450mm；横向方向采用收缩结构，使入口的150mm收缩到32mm，其中弯管部分为1/4圆形弯管。

本实施例可实现最大10Hz频率运行，可连续获得30个激光脉冲输出，输出单脉冲能量mJ。该激光器已成功地应用于XeF激光线宽压缩技术研究及对光电器件效应研究。

Claims (8)

1.一种闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：包括放电泵浦源、谐振反射镜(20)、输出腔镜(21)、激光器腔室(2)和供气装置；

所述的激光器腔室(2)为方形空腔，其长宽高三个方向分别对应光轴方向(30)、光解离方向(31)和气流方向(32)；所述的放电泵浦源包括一组放电基板(1)及为其供电的电容组(14)；所述的放电基板(1)设置在激光器腔室沿宽度方向的端面上；所述的激光器腔室(2)沿长度方向的两个端面设置有输出窗口(13，17)，所述的谐振反射镜(20)和输出腔镜(21)分别设置在激光器腔室(2)沿长度方向的最外端；

所述的供气装置为至少一只连接在激光器腔室高度方向两个端面的闭合循环管道，在闭合循环管道中部设置有轴流风机(10)，可将预先充满闭合循环管道的含有XeF₂的混合气体在管道中循环流动；

所述放电泵浦源放电产生紫外辐射，光解离激光器腔室内的XeF₂气体，并在谐振反射镜(20)和输出腔镜(21)的谐振作用下形成激光输出。

2.根据权利要求1所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的激光器腔室(2)的宽度方向约为长度方向的1/10。

3.根据权利要求1所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的激光器腔室(2)上表面设置有至少一只扁平的进气孔，下表面在对应位置处开有对应的出气孔。

4.根据权利要求1所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的闭合循环管道包括若干串接在一起的弯管道(4)、直管道(5)和扩展管道(3)，所述的弯管道(4)和直管道(5)在管路上的横截面积保持不变，所述的扩展管道(3)的一端与弯管道(4)联接，另一端与所述激光腔室的进气孔或出气孔相联接。

5.根据权利要求4所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的扩展管道(3)一端的截面与弯管道(4)的截面相匹配，另一端的截面与所述进气孔或出气孔的尺度相匹配。

6.根据权利要求4所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的弯管道(4)、直管道(5)的横截面为方形或圆形。

7.根据权利要求1所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：在轴流风机(10)出口的管路上安装有波纹管(8)。

8.根据权利要求1所述的闭合循环的重频光泵浦氟化氙激光系统，其特征在于：所述的供气装置包括两套连接在激光器腔室(2)高度方向两个端面的闭合循环管道。