CN1136635C

CN1136635C - 高功率可调谐二氧化碳激光器

Info

Publication number: CN1136635C
Application number: CNB991271211A
Authority: CN
Inventors: 万重怡; 万朋; 谭荣清; 吴谨
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: CN1302102A

Abstract

本发明一种高功率可调谐二氧化碳激光器，包括球面反射镜、二氧化碳激光放电增益区、法布里-珀罗调制器，其特征在于，其中法布里-珀罗调制器为激光谐振腔的一个端反射镜，激光功率从法布里-珀罗调制器透射耦合输出；其具有结构简单，性能稳定可靠，可广泛应用于激光化学、大气传输、材料加工等领域的优点。

Description

高功率可调谐二氧化碳激光器

技术领域

本发明属于激光器，特别是一种采用法布里—珀罗调制器作为激光跃迁带的选择的高功率可调谐二氧化碳(CO₂)激光器。

背景技术

法布里—珀罗干涉具广泛应用于可调谐激光器，特别是可调谐CO₂激光器中。通常采用的技术是在激光谐振腔内插入倾斜的法布里—珀罗干涉具。图1是采用腔内倾斜法布里—珀罗干涉具的可调谐CO₂激光器原理图。如图1所示，激光谐振腔由球面全反射镜11和部分反射的平面镜14组成。激光束16从平面镜14透射耦合输出。激光谐振腔内除激光增益区12以外还插入了一对相互平行的平面镜组成的法布里—珀罗干涉具13，平面镜之间的间距为d，内表面有相同的反射率，外表面镀抗反射膜。旋转干涉具的倾角θ可以实现激光器的调谐。这种技术的缺点是在干涉具的两个反射面会出现反射耦合损失(见附图1的反射耦合光束15)。由于本发明涉及的激光器是运转在高功率的条件下，因此法布里—珀罗干涉具应选用低的锐度。因为锐度太高将会使干涉具中的光强太强而导致干涉具镜面的损坏。在低锐度的情况下，在调谐过程中，转角θ在一定的范围内变化均可输出某一跃迁带中的某一跃迁线，但干涉具只在某一特定的角度θ上反射率才为零(假定干涉具的吸收可忽略，则透过率为1)，激光才能全部从输出镜输出。在略偏离θ时，激光器虽然也调谐到同一条跃迁线上，但从干涉具的反射不为零，因此有部分激光能量从两个反射面耦合输出。反射耦合的出现使激光出现分束，会降低透射耦合的效率，并且使在调谐过程中激光输出功率产生很大的起伏。在高功率激光器中，还必须为反射耦合的光束增加输出窗口，这也为激光器设计带来不便。

发明内容

本发明的目的是提出一种高功率可调谐CO₂激光器，其输出的激光波长可以快速地调谐到CO₂分子的四个跃迁带(00°1-10°0带和00°1-02°0带的P支和R支)中的一个跃迁带。

本发明一种高功率可调谐二氧化碳激光器，包括球面反射镜、二氧化碳激光放电增益区、法布里—珀罗调制器，其特征在于，

其中法布里—珀罗调制器为激光谐振腔的一个端反射镜，激光功率从法布里—珀罗调制器透射耦合输出。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜的反射率为0.1-0.5。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜的镜间距为0-50微米。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜的镜间距采用微调马达调节。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的硒化锌反射镜。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的砷化镓反射镜。

其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的锗反射镜。

附图说明

为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作一详细描述，其中：

图1是采用腔内倾斜法布里—珀罗干涉具的可调谐CO₂激光器原理图；

图2是本发明的原理结构图；

图3是归一化的CO₂激光跃迁小信号增益分布图；

图4是本发明的激光调谐理论原理图，左方是激光跃迁净增益系数与跃迁频率的关系，右方是法布里—珀罗调制器的反射率与跃迁频率的关系。其中激光器有关参数选取为TEA(横向激励大气压)CO₂激光增益区长度l＝100cm，增益谱中最强线(通常是10P带的10P(20)线)的小信号增益系数α₀＝0.02cm^-1，法布里—珀罗调制器反射镜的反射率R₀＝0.17，镜间距对于图4的(A)、(B)、(C)、(D)分别取20.4μm，21.7μm，22.3μm，24.1μm。

具体实施方式

请先参阅图3所示的归一化的CO₂激光跃迁小信号增益随频率的分布。CO₂激光跃迁谱线在9至11μm波长范围内可以有100条左右，分属10P、10R、9P、9R四个跃迁带(00°1-10°0带和00°1-02°0带的P支和R支)。从图中可看出四个跃迁带的峰值谱线分别是10P(20)、10R(18)、9P(20)和9R(18)。但是在谐振腔内没有任何色散元件的自由振荡的TEA CO₂激光器内，由于增益竞争的结果，激光输出功率总是集中在增益最高的一条谱线上。10P(20)跃迁线的增益最高，因此自由振荡的TEA CO₂激光器输出的激光跃迁线为10P(20)，激光频率为945cm^-1，波长为10.6μm。

为得到其它跃迁带的激光跃迁线输出，本发明采用法布里—珀罗调制器作为谐振腔的输出反射镜。如图2所示，激光谐振腔由球面反射镜21和法布里—珀罗调制器23组成，其中法布里—珀罗调制器为激光谐振腔的一个端反射镜，激光功率从法布里—珀罗调制器透射耦合输出。激光增益区22长度为l，激光束从法布里—珀罗调制器透射耦合输出。理想法布里—珀罗调制器的反射率由下式给出：

R (v) = \frac{4 R_{0} \sin^{2} (2 πvd / c)}{{(1 - R_{0})}^{2} + 4 R_{0} \sin^{2} (2 πvd / c)}

上式中R₀为法布里—珀罗调制器单面镜的反射率，v激光频率，d为法布里—珀罗调制器镜间距，c为光速。式中忽略了法布里—珀罗调制器的散射及吸收损耗。图4给出的例子说明法布里—珀罗调制器的反射率随频率v和镜间距d的变化。参数R₀取0.17，相应于未镀膜的硒化锌镜的单面反射率。

为了确定激光器可能输出的跃迁频率，还需要求出激光谐振腔内往返一次的净增益随频率的分布G(v)：

G(v)＝2lα₀g(v)+lnR(v)

上式中l为放电增益区长度，α₀为10P(20)线的小信号增益系数，g(v)是归一化的增益分布因子。R(v)是法布里—珀罗调制器的反射率。式中忽略了谐振腔中的其他类型的损耗，如谐振腔模的衍射损耗、光学元件的吸收和散射等。

图4给出的例子中，α₀＝0.02cm^-1，l＝100cm，R₀＝0.17。从图中可看出恰当的选择了不同的镜间距d，净增益分布的峰值分别出现在四个不同的跃迁带中，因此激光器可以在这四个跃迁带之间调谐。采用压电陶瓷调节调制器的间距，可实现快速的电调谐。该方案适用于高平均功率可调谐TEA CO₂激光器或高功率可调谐连续CO₂激光器。

本发明具有结构简单，性能稳定可靠，可广泛应用于激光化学、大气传输、材料加工等领域的优点。

Claims

1、一种高功率可调谐二氧化碳激光器，包括球面反射镜、二氧化碳激光放电增益区、法布里—珀罗调制器，其特征在于，

2、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜的反射率为0.1-0.5。

3、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜的镜间距为0-50微米。

4、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜的镜间距采用微调马达调节。

5、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的硒化锌反射镜。

6、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的砷化镓反射镜。

7、根据权利要求1所述的一种高功率可调谐二氧化碳激光器，其特征在于，其中法布里—珀罗调制器的反射镜是单面镀抗反射膜的锗反射镜。