CN107453189A - 一种太赫兹激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹激光器系统，属于激光器技术领域，其目的在于提供一种输出功率更高的太赫兹激光器系统，可实现连续运行，也可实现脉冲运行。该太赫兹激光器系统包括可调谐种子光源、CO2激光放大器、太赫兹激光器，可调谐种子光源提供匹配太赫兹激光器内工作气体吸收光谱的种子激光，种子光通过CO2激光放大器进行功率放大后作为太赫兹激光器的泵浦光。泵浦光的频率反馈系统对种子光中心频率进行稳定性反馈控制，稳频后的泵浦光注入太赫兹激光器内，产生太赫兹激光振荡输出。本发明适用于高连续与脉冲输出功率的太赫兹激光器。

Description

一种太赫兹激光器系统
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及一种太赫兹激光器。
背景技术
气体太赫兹激光器是一种较为实用的太赫兹光源。其输出功率达到瓦级后，近十多年来已经停滞不前。待解决的核心的问题在于高功率泵浦光源。现有的技术中，太赫兹激光器主要采用通过CO2激光器产生的光泵脉冲太赫兹激光器。为了提高气体太赫兹激光器的输出功率，其实现方式大多采用增加CO2激光器的功率、增加激光增益长度、多路折叠腔与合束等。上述方法在提高太赫兹激光器输出功率的同时带来了体积的增加、转换效率及稳定性下降；尤其是在增加CO2激光器的功率时，受到关键光学元件(如选支光栅的最高功率)的限制，更高连续功率的太赫兹激光器并未得到突破。获得脉冲CO2激光输出的方法一般有：增益开关、腔内调Q、腔外调制等。TEA CO2激光器是典型的增益开关式脉冲激光，输出脉宽一般大于数百纳秒，脉冲峰值功率和重复频率均较低，且如果没有附加的脉冲整形技术相配合，这种方法无法产生所需的脉冲持续波形。因此，现有的脉冲CO2激光技术用于泵浦源时，难以在实现波长选支调谐输出的同时满足峰值功率、重复频率、可控的脉冲波形及调制特性等方面的要求。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种输出功率更高的太赫兹激光器系统，可实现连续运行，也可实现脉冲运行。
本发明采用的技术方案如下：
一种太赫兹激光器系统，包括可调谐种子光源、CO2激光放大器、太赫兹激光器，可调谐种子光源提供匹配太赫兹激光器内工作气体吸收光谱的种子激光，种子光通过CO2激光放大器进行功率放大后作为太赫兹激光器的泵浦光，泵浦光注入太赫兹激光器内，太赫兹激光器中的气体介质激发、产生粒子数反转，产生太赫兹激光并经太赫兹激光器的谐振腔振荡输出。
其中，在可调谐种子光源、CO2激光放大器之间依次设置有选频光栅、光隔离器、全反射镜、偏振反射器、电光开关和凹面全反射镜，可调谐种子光源产生的种子激光依次经选频光栅、光隔离器、全反射镜、偏振反射器、电光开关和凹面全反射镜后入射至CO2激光放大器；还设置有频率传感器、信号放大器、第一反馈控制器，CO2激光放大器输出的部分中红外激光入射至频率传感器，频率传感器产生的电信号经信号放大器后输入至第一反馈控制器，第一反馈控制器与可调谐种子光源电连接。
其中，第一反馈控制器对可调谐种子光源的电压、电流和/或温度进行反馈控制。
其中，太赫兹激光器包括气体太赫兹激光腔，气体太赫兹激光腔内填充有工作气体，气体太赫兹激光腔的两端分别设置有输入耦合镜、输出耦合镜。
其中，在CO2激光放大器与太赫兹激光器之间设置有反射镜、全反射镜聚焦镜，CO2激光放大器输出的中红外激光入射至反射镜，部分中红外激光经反射镜透射后入射至频率传感器，另一部分中红外激光经反射镜反射后依次经全反射镜聚焦镜、输入耦合镜输入至气体太赫兹激光腔。
其中，反射镜的反射率大于95％。
其中，还包括分束器、功率传感器、第二反馈控制器，分束器设置于输出耦合镜的远离气体太赫兹激光腔的一侧，气体太赫兹激光腔上连接有腔长驱动器，腔长驱动器与输出耦合镜连接，并控制输出耦合镜沿远离或靠近气体太赫兹激光腔的方向移动；气体太赫兹激光腔输出的太赫兹激光经输出耦合镜后入射至分束器，部分太赫兹激光经分束器反射后输至功率传感器，功率传感器产生的电信号输入至第二反馈控制器，第二反馈控制器与腔长驱动器电连接。
其中，腔长驱动器为步进电机或压电陶瓷驱动器。
其中，气体太赫兹激光腔内充入有工作气体，工作气体包括CH3OH、NH3或HCOOH。
其中，可调谐种子光源为工作波长为9～12μm的中红外量子级联激光器、或选支调谐CO2激光器。
其中，CO2激光放大器(8)的放大形式采用单通放大、多通放大或者振荡放大
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，采用量子级联激光种子源加CO2激光放大器的实现方式，免除了传统CO2激光器泵浦源的光栅选支和腔长调节装置，泵浦激光功率不受光栅的损伤阈值限制，因此可以通过提高放大器的放大倍率提高泵浦光功率。太赫兹激光器稳定性也不受机械振动、热变形等导致腔长变化的影响，加上两套反馈控制器，大大提高了太赫兹激光输出稳定性。量子级联激光器作为种子光，可以在连续、脉冲以及高重复频率下运行，因此太赫兹激光也可以连续、脉冲和高重复频率输出，调制特性好。在可调谐种子光源、CO2激光放大器之间依次设置偏振反射器、电光开关和凹面全反射镜的组合，其目的是对种子光脉冲进行控制，同时联合光隔离器，起到保护种子光，防止放大后的脉冲光反射到种子光源上，损坏种子光源。
附图说明
图1是示例性太赫兹激光器系统的框图；
图2是可用于图1的一种具体的太赫兹激光器系统的结构示意图；
图中标记：1-可调谐种子光源、2-选频光栅、3-光隔离器、4-全反射镜、5-偏振反射器、6-电光开关、7-凹面全反射镜、8-CO2激光放大器、9-反射镜、10-频率传感器、11-信号放大器、12-第一反馈控制器、13-全反射镜聚焦镜、14-输入耦合镜、15-气体太赫兹激光腔、16-输出耦合镜、17-腔长驱动器、18-功率传感器、19-第二反馈控制器、20-分束器、21-电压、22-电流、23-温度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种太赫兹激光器系统，该系统可连续运行，也可脉冲式运行；若可调谐种子光源1和CO2激光放大器8均连续运行时，则太赫兹激光器系统连续输出；若可调谐种子光源1或者CO2激光放大器8脉冲运行时，则太赫兹激光器系统脉冲输出。该系统包括可调谐种子光源1、CO2激光放大器8、太赫兹激光器。该可调谐种子光源1主要用于提供匹配太赫兹激光器工作气体吸收光谱的小信号种子激光。该CO2激光放大器8主要用于对可调谐种子光源1产生的种子激光进行功率放大，由于CO2激光放大器8中无需设置选支光栅，因而CO2激光放大器8可根据需要将种子激光的功率放大至所需功率，无需考虑选支光栅的所能承受的最大功率，因而种子激光的功率放大不受。种子激光经CO2激光放大器8放大后形成中红外激光，该中红外激光作为太赫兹激光器的泵浦光，注入太赫兹激光器中。泵浦光注入太赫兹激光器后，太赫兹激光器中的气体介质被泵浦光激发，产生粒子数反转，产生太赫兹激光，太赫兹激光经太赫兹谐振腔振荡输出。
该系统的具体光路为：包括可调谐种子光源1、选频光栅2、光隔离器3、全反射镜4、偏振反射器5、电光开关6、凹面全反射镜7、CO2激光放大器8、反射镜9、频率传感器10、信号放大器11、第一反馈控制器12、全反射镜聚焦镜13、输入耦合镜14、气体太赫兹激光腔15、输出耦合镜16、腔长驱动器17、功率传感器18、第二反馈控制器19、分束器20。该可调谐种子光源1为工作波长为9～12μm的中红外量子级联激光器、或选支调谐CO2激光器。该可调谐种子光源1产生的种子激光依次经选频光栅2、光隔离器3、全反射镜4、偏振反射器5、电光开关6和凹面全反射镜7后入射至CO2激光放大器8。该CO2激光放大器8可采用横流CO2激光器、射频板条CO2激光器、横向激励大气压CO2激光器(TEA)或轴快流CO2激光器，该CO2激光放大器8的放大形式采用单通放大、多通放大或者振荡放大。反射镜9的反射率大于95％，放大的中红外泵浦激光仅小部分功率透过。CO2激光放大器8输出中红外激光，中红外激光入射至反射镜9，部分中红外激光透过反射镜9后被频率传感器10探测、接收到，频率传感器10能够根据中红外激光的频率产生对应的电信号，且该电信号经由信号放大器11进行放大之后输至第一反馈控制器12，第一反馈控制器12通过可调谐种子光源1的电压21、电流22和/或温度23对可调谐种子光源1进行反馈控制，从而调整可调谐种子光源1的输出功率，实现对泵浦光的稳频调节，当然也可以通过第一反馈控制器12控制CO2激光放大器8的腔长。该频率传感器10的一种优化选择为一种低压腔，腔内充入太赫兹工作气体，通过光声效应实时监测泵浦光的频率漂移。可以理解，基于光声效应的频率监测方式并非本发明的必须方法。另一部分中红外激光经反射镜9反射后入射至全反射镜聚焦镜13，并经全反射镜聚焦镜13反射后通过输入耦合镜14入射至气体太赫兹激光腔15内，太赫兹激光器中的气体介质被泵浦光激发，产生粒子数反转，产生太赫兹激光，太赫兹激光经太赫兹谐振腔振荡输出。太赫兹激光经输出耦合镜16后入射至分束器20，一部分太赫兹激光经分束器20反射后入射至功率传感器18，功率传感器18对太赫兹激光的功率进行探测，并产生对应的电信号，该电信号输入至第二反馈控制器19，第二反馈控制器19根据太赫兹激光的功率输出控制信号至腔长驱动器17；腔长驱动器17连接于气体太赫兹激光腔15上，腔长驱动器17与输出耦合镜16连接，并控制输出耦合镜16沿远离或靠近气体太赫兹激光腔15的方向移动；腔长驱动器17根据控制信号控制输出耦合镜16沿远离或靠近气体太赫兹激光腔15的方向移动，实现调整输出耦合镜16与气体太赫兹激光腔15之间的间距，从而实现对太赫兹功率的稳定、调节。该气体太赫兹激光腔15内充入有工作气体，工作气体包括CH3OH、NH3或HCOOH；该腔长驱动器17为步进电机或压电陶瓷驱动器。另一部分太赫兹激光经分束器20投射后输出。
实施例1
一种太赫兹激光器系统，包括可调谐种子光源1、CO2激光放大器8、太赫兹激光器，可调谐种子光源1提供匹配太赫兹激光器内工作气体吸收光谱的种子激光，种子光通过CO2激光放大器8进行功率放大后作为太赫兹激光器的泵浦光，泵浦光注入太赫兹激光器内，太赫兹激光器中的气体介质激发、产生粒子数反转，产生太赫兹激光并经太赫兹激光器的谐振腔振荡输出。
实施例2
在实施例一的基础上，在可调谐种子光源1、CO2激光放大器8之间依次设置有选频光栅2、光隔离器3、全反射镜4、偏振反射器5、电光开关6和凹面全反射镜7，可调谐种子光源1产生的种子激光依次经选频光栅2、光隔离器3、全反射镜4、偏振反射器5、电光开关6和凹面全反射镜7后入射至CO2激光放大器8；还设置有频率传感器10、信号放大器11、第一反馈控制器12，CO2激光放大器8输出的部分中红外激光入射至频率传感器10，频率传感器10产生的电信号经信号放大器11后输入至第一反馈控制器12，第一反馈控制器12与可调谐种子光源1电连接。
实施例3
在实施例二的基础上，第一反馈控制器12对可调谐种子光源1的电压21、电流22和/或温度23进行反馈控制。
实施例4
在上述实施例的基础上，太赫兹激光器包括气体太赫兹激光腔15，气体太赫兹激光腔15内填充有工作气体，气体太赫兹激光腔15的两端分别设置有输入耦合镜14、输出耦合镜16。
实施例5
在实施例四的基础上，在CO2激光放大器8与太赫兹激光器之间设置有反射镜9、全反射镜聚焦镜13，CO2激光放大器8输出的中红外激光入射至反射镜9，部分中红外激光经反射镜9透射后入射至频率传感器10，另一部分中红外激光经反射镜9反射后依次经全反射镜聚焦镜13、输入耦合镜14输入至气体太赫兹激光腔15。
实施例6
在实施例五的基础上，反射镜9的反射率大于95％。
实施例7
在实施例四、实施例五或实施例六的基础上，还包括分束器20、功率传感器18、第二反馈控制器19，分束器20设置于输出耦合镜16的远离气体太赫兹激光腔15的一侧，气体太赫兹激光腔15上连接有腔长驱动器17，腔长驱动器17与输出耦合镜16连接，并控制输出耦合镜16沿远离或靠近气体太赫兹激光腔15的方向移动；气体太赫兹激光腔15输出的太赫兹激光经输出耦合镜16后入射至分束器20，部分太赫兹激光经分束器20反射后输至功率传感器18，功率传感器18产生的电信号输入至第二反馈控制器19，第二反馈控制器19与腔长驱动器17电连接。
实施例8
在实施例七的基础上，腔长驱动器17为步进电机或压电陶瓷驱动器。
实施例9
在上述实施例的基础上，气体太赫兹激光腔15内充入有工作气体，工作气体包括CH3OH、NH3或HCOOH。
实施例10
在上述实施例的基础上，可调谐种子光源1为工作波长为9～12μm的中红外量子级联激光器、或选支调谐CO2激光器。
实施例11
在上述实施例的基础上，该CO2激光放大器8的放大形式采用单通放大、多通放大或者振荡放大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹激光器系统，其特征在于：包括可调谐种子光源(1)、CO2激光放大器(8)、太赫兹激光器，可调谐种子光源(1)提供匹配太赫兹激光器内工作气体吸收光谱的种子激光，种子光通过CO2激光放大器(8)进行功率放大后作为太赫兹激光器的泵浦光，泵浦光注入太赫兹激光器内，太赫兹激光器中的气体介质激发、产生粒子数反转，产生太赫兹激光并经太赫兹激光器的谐振腔振荡输出。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：在可调谐种子光源(1)、CO2激光放大器(8)之间依次设置有选频光栅(2)、光隔离器(3)、全反射镜(4)、偏振反射器(5)、电光开关(6)和凹面全反射镜(7)，可调谐种子光源(1)产生的种子激光依次经选频光栅(2)、光隔离器(3)、全反射镜(4)、偏振反射器(5)、电光开关(6)和凹面全反射镜(7)后入射至CO2激光放大器(8)；还设置有频率传感器(10)、信号放大器(11)、第一反馈控制器(12)，CO2激光放大器(8)输出的部分中红外激光入射至频率传感器(10)，频率传感器(10)产生的电信号经信号放大器(11)后输入至第一反馈控制器(12)，第一反馈控制器(12)与可调谐种子光源(1)电连接。
3.如权利要求2所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：第一反馈控制器(12)对可调谐种子光源(1)的电压(21)、电流(22)和/或温度(23)进行反馈控制。
4.如权利要求1、2或3所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：太赫兹激光器包括气体太赫兹激光腔(15)，气体太赫兹激光腔(15)内填充有工作气体，气体太赫兹激光腔(15)的两端分别设置有输入耦合镜(14)、输出耦合镜(16)。
5.如权利要求4所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：在CO2激光放大器(8)与太赫兹激光器之间设置有反射镜(9)、全反射镜聚焦镜(13)，CO2激光放大器(8)输出的中红外激光入射至反射镜(9)，部分中红外激光经反射镜(9)透射后入射至频率传感器(10)，另一部分中红外激光经反射镜(9)反射后依次经全反射镜聚焦镜(13)、输入耦合镜(14)输入至气体太赫兹激光腔(15)。
6.如权利要求4所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：还包括分束器(20)、功率传感器(18)、第二反馈控制器(19)，分束器(20)设置于输出耦合镜(16)的远离气体太赫兹激光腔(15)的一侧，气体太赫兹激光腔(15)上连接有腔长驱动器(17)，腔长驱动器(17)与输出耦合镜(16)连接，并控制输出耦合镜(16)沿远离或靠近气体太赫兹激光腔(15)的方向移动；气体太赫兹激光腔(15)输出的太赫兹激光经输出耦合镜(16)后入射至分束器(20)，部分太赫兹激光经分束器(20)反射后输至功率传感器(18)，功率传感器(18)产生的电信号输入至第二反馈控制器(19)，第二反馈控制器(19)与腔长驱动器(17)电连接。
7.如权利要求6所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：腔长驱动器(17)为步进电机或压电陶瓷驱动器。
8.如权利要求1所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：气体太赫兹激光腔(15)内充入有工作气体，工作气体包括CH3OH、NH3或HCOOH。
9.如权利要求1所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：可调谐种子光源(1)为工作波长为9～12μm的中红外量子级联激光器、或选支调谐CO2激光器。
10.如权利要求1所述的一种太赫兹激光器系统，其特征在于：CO2激光放大器(8)的放大形式采用单通放大、多通放大或者振荡放大。
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