CN115986531A - 一种小型化低功耗可调谐脉冲co2激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，包括：电控转台、闪耀光栅、光电探测器、控制器、激光增益器、光学斩波器和激光输出镜；闪耀光栅和光电探测器设置在电控转台上，闪耀光栅和光轴之间的夹角满足自准直光栅方程；光电探测器接收闪耀光栅的零级衍射光；控制器分别与电控转台和光电探测器电连接，且接收光电探测器的探测信号，并给电控转台发送转动控制信号；其中，闪耀光栅对CO2激光波长调谐，光电探测器检测CO2激光强度信号；激光输出镜与闪耀光栅形成激光谐振腔，激光增益器为CO2激光提供增益，其设置在激光谐振腔中，且其两端采用窗口镜密封；光学斩波器位于靠近激光输出镜一端的窗口镜和激光输出镜组成的共轴、共焦系统的焦点处。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器。
背景技术
激光探测具有探测距离远、精度高、速度快的优势，在大气有毒污染气体探测领域应用广泛。有毒气体在长波红外9-11μm波段存在明显的“指纹”吸收峰，恰好与CO2激光器的增益谱段相匹配。为了实现更多种类气体的探测，通常采用调谐技术实现CO2激光输出波长的精密调控。同时，脉冲激光具有峰值功率高、大气穿透能力强的优势，因此，可调谐脉冲CO2激光器是大气有毒污染气体探测的首选光源。随着大气探测应用方式的多样化，便携式的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器的应用需求日益迫切。
目前已公布了多种可调谐脉冲CO2激光技术，专利CN101404381B公布了“一种波长可调谐的编码输出声光调Q脉冲CO2激光器”，采用声光调制器和光栅分别作为调Q和波长调谐器件，但CO2激光波段声光调制器功耗高(约300W)，热效应显著，需要循环水进行冷却，且光栅调谐输出模块采用了三镜设计，结构较复杂。专利ZL200610078212.7公布了“光栅选支快速调谐激光谐振腔”，采用了高速电机驱动光栅实现快速调谐，当光栅转到所需激光波长位置时，运动控制卡触发控制电路同步触发激光器，使若干支激光波长有序选出，该技术途径在大体积、高增益TEA激光器上具有可实施性，但在小型化、低功耗、低增益CO2激光器中，由于电机和编码器重复定位控制精度有限，通过固定光栅位置、同步触发激光器的方式将导致若干弱增益激光谱线丢失。专利CN104283098B公布“一种横流气体机械调Q脉冲激光器”，采用机械调制的方式实现激光脉冲输出，为了插入斩波器，该专利采用了复杂的折转光路，增加了谐振腔的失谐灵敏度和结构复杂度。综上所述，现有的可调谐脉冲CO2激光技术中，均难以实现小型化、低功耗、可调谐CO2激光输出。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，采用光学斩波器、激光增益器和闪耀光栅调谐等元件组成激光器，能够实现小型化、低功耗、可调谐的CO2激光输出，解决了现有技术中光机结构复杂、功耗高、弱增益谱线易丢失的难题。
本发明的技术方案为：一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，包括：电控转台、闪耀光栅、光电探测器、控制器、激光增益器、光学斩波器和激光输出镜；
所述闪耀光栅和光电探测器设置在电控转台上，闪耀光栅和光轴之间的夹角满足自准直光栅方程；光电探测器接收闪耀光栅的零级衍射光；控制器分别与电控转台和光电探测器电连接，控制器接收光电探测器的探测信号，并给电控转台发送转动控制信号；其中，闪耀光栅用于对CO2激光波长调谐，光电探测器用于检测CO2激光强度信号；
所述激光输出镜与闪耀光栅形成激光谐振腔，激光增益器为CO2激光提供增益，其设置在激光谐振腔中，且其两端采用窗口镜密封；光学斩波器位于靠近激光输出镜一端的窗口镜和激光输出镜组成的共轴、共焦系统的焦点处。
优选地，靠近闪耀光栅一端的窗口镜采用材质为ZnSe的平行平板透镜，并在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％；靠近激光输出镜一端的窗口镜采用焦距为F1的ZnSe正透镜，在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％。
优选地，所述光学斩波器的频率调节范围为1Hz-1kHz，占空比调节范围为1-99％。
优选地，所述电控转台采用闭环定位的360°圆周旋转转台，其旋转步长为0.001°，重复定位精度≤0.005°。
优选地，所述闪耀光栅采用金属原刻光栅，光栅刻线为100-300条/mm，一级衍射效率≥94％。
优选地，所述闪耀光栅为平面光栅或凹面光栅。
优选地，所述光电探测器采用HgCdTe探测器，前端设置100倍的衰减片。
优选地，所述激光增益器采用射频波导CO2激光器，其注入射频功率为50W。
优选地，所述激光增益器采用直流放电玻璃管CO2激光器或射频板条CO2激光器。
优选地，所述激光输出镜采用ZnSe透镜，其焦距为F2，且凹面指向激光谐振腔内一侧，并镀9-11μm范围的半透半反膜，凹面曲率半径R1＝F2；其球面指向激光谐振腔外一侧，球面曲率半径为R2，R2满足关系式：R2＝F2(n1-n0)/(n0-2n1)，并镀9-11μm范围的增透膜；其中，n0为大气折射率，n1为ZnSe材料折射率。
有益效果：
1、本发明提供的激光器，采用光学斩波器、激光增益器和闪耀光栅调谐等元件组成激光器，闪耀光栅工作在一级振荡、一级输出、零级监测模式，通过在闪耀光栅零级设置光电探测器，实时监测激光信号，并闭环控制闪耀光栅和电控转台的转角，解决光栅转台重复定位控制精度不足，难以获得弱增益谱线激光输出难题；
同时，光学斩波器处于共轴共焦系统焦点上，实现机械调Q脉冲激光输出，解决了机械调Q常用的折转光路损耗大，失调灵敏度高的难题，相比于离轴式聚焦光路，更有利于降低激光器重量，提升激光器功率稳定性，具有很高的实用性和可靠性。
2、本发明中激光增益器两端窗口镜的具体设置，能够压缩激光谐振腔内的光束直径，提升光学斩波器的渡越时间。
3、本发明中闪耀光栅的设计，能够有效满足CO2激光波长调谐需求。
4、本发明中光电探测器的具体设计，能够有效满足对CO2激光强度信号的采集功能。
5、本发明中激光输出镜指向激光谐振腔内的反射面的曲率与透镜焦距相等，能够保证激光振荡满足自再现条件的同时，实现激光准直输出。
附图说明
图1为本发明脉冲CO2激光器的结构示意图。
图2为本发明中正透镜和激光输出镜所形成的共轴、共焦系统。
其中，1-电控转台，2-闪耀光栅，3-光电探测器，4-控制器，5-激光增益器，6-正透镜，7-光学斩波器，8-激光输出镜，9-CO2激光光束。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，采用光学斩波器、激光增益器和闪耀光栅调谐等元件组成激光器，能够实现小型化、低功耗、可调谐的CO2激光输出，解决了现有技术中光机结构复杂、功耗高、弱增益谱线易丢失的难题。
如图1所示，该脉冲CO2激光器包括：电控转台1、闪耀光栅2、光电探测器3、控制器4、激光增益器5、正透镜6、光学斩波器7和激光输出镜8；
电控转台1的功能为带动闪耀光栅2旋转，闪耀光栅2和光电探测器3设置在电控转台1上，闪耀光栅2和光轴之间的夹角满足自准直光栅方程；光电探测器3接收闪耀光栅2的零级衍射光(即光电探测器3设置在闪耀光栅2的反射光轴上)；控制器4分别与电控转台1和光电探测器3电连接，控制器4接收光电探测器3的探测信号，并给电控转台1发送转动控制信号，以对电控转台1进行高精度闭环旋转；其中，闪耀光栅2的功能是对CO2激光波长的调谐，它工作在一级振荡一级输出模式，对满足光栅方程的激光谱线具有较高的一级衍射效率，而该角度对其它波长的反射率较低，可实现设定的CO2激光波长振荡输出功能；光电探测器3用于检测CO2激光强度信号；
激光输出镜8与闪耀光栅2形成激光谐振腔；激光增益器5为CO2激光提供增益，其设置在激光谐振腔中，且其两端采用高透的窗口镜密封，靠近闪耀光栅2的一端采用材质为ZnSe的平行平板透镜密封，并在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％；另一端(靠近激光输出镜8的一端)采用焦距为F1的ZnSe(材质)正透镜6密封，在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％，从而能够压缩激光谐振腔内的光束直径，提升光学斩波器7的渡越时间；其中，光学斩波器7位于正透镜6和激光输出镜8组成的共轴、共焦系统的焦点处，有利于实现激光谐振腔内激光束宽的压缩变换，且保证CO2激光在闪耀光栅2和激光输出镜8组成的激光谐振腔内振荡时满足自再现条件，光学斩波器7的频率可调范围为1Hz-1kHz，占空比在1-99％可调。
工作时，光电探测器3将接收到的CO2激光强度信号传送给控制器4，控制器4将CO2激光强度信号与已标定的CO2激光信号作比较，若收到的CO2激光强度信号比已标定的CO2激光信号强度值小，控制器4给电控转台1发送驱动信号，电控转台1带动闪耀光栅2旋转至满足光栅方程的激光谱线角度，补偿电控转台1重复定位精度低带来的弱增益谱线丢失或功率下降问题；在激光增益器5提供激光增益条件下，电控转台1带动闪耀光栅2精密旋转，实现已标定的CO2激光谱线的依次输出；光学斩波器7的功能为调节激光谐振腔内Q值，当光学斩波器7遮挡光路时，处于低Q值状态，无激光输出，激光谐振腔内积累反转粒子数；当光学斩波器7不遮挡光路时，处于高Q值状态，激光谐振腔内积累的大量反转粒子数以巨脉冲的形式输出；在闪耀光栅2调谐、光学斩波器7调Q、激光增益器5提供反转粒子数的基础上，实现CO2激光光束9脉冲可调谐输出；按照该方法研制的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器的功耗＜100W，重量＜10kg，激光功率＞300mW，脉冲宽度＜300ns，可应用于大气有毒污染物的高精密探测领域。
本实施例中，电控转台1带动闪耀光栅2旋转以寻找最佳位置(已标定CO2激光谱线)的方法，包括以下步骤：
步骤一：对激光器输出的CO2激光谱线进行标定，获得CO2激光输出谱线波长和电控转台1之间角度的关系，并记录对应CO2激光谱线强度；
步骤二：当需要输出任意一条CO2激光谱线时，控制器4发射该谱线对应的角度信息给电控转台1，电控转台1旋转设定角度至设定位置处；
步骤三：光电探测器3接收该CO2激光谱线的激光强度信息，并传输给控制器4；
步骤四：控制器4将CO2激光强度信号P1与已标定的CO2激光强度信号P0作比较，若P1＜P0，控制器4分别给电控转台1发送最小步长的正向、负向旋转驱动信号，并分别记录CO2激光强度信号P+，P-；
步骤五：控制器4比较P1,P+，P-的值，若P+＞P1，则控制器4继续向电控转台1发射正向旋转信号并实时探测更新P+值，直至P+≥P0；若P-＞P1，则控制器4继续向电控转台1发射负向旋转信号并实时探测更新P-值，直至P-≥P0。
本实施例中，所述电控转台1采用闭环定位的360°圆周旋转转台，其旋转步长为0.001°，重复定位精度≤0.005°。
本实施例中，闪耀光栅2采用金属原刻光栅，光栅刻线为100-300条/mm，一级衍射效率≥94％(受闪耀光栅2设计、镀膜、刻线工艺限制，闪耀光栅2的一级衍射效率无法达到100％，会有较弱的振荡激光从闪耀光栅2的零级反射输出)，可满足CO2激光波长调谐需求。
本实施例中，闪耀光栅2可以是平面光栅，也可以是凹面光栅。
本实施例中，光电探测器3采用HgCdTe探测器，前端设置100倍的衰减片，满足对CO2激光强度信号的采集功能。
本实施例中，控制器4采用单片机，具备数据处理、读取和发射功能。
本实施例中，激光增益器5采用射频波导CO2激光器，其注入射频功率为50W。
本实施例中，激光增益器5也可以采用直流放电玻璃管CO2激光器或射频板条CO2激光器。
本实施例中，如图2所示，激光输出镜8采用ZnSe透镜，其焦距为F2，且指向激光谐振腔内一侧的凹面曲率半径R1＝F2，并镀9-11μm范围的半透半反膜；激光输出镜8指向激光谐振腔外一侧的球面曲率半径为R2，R2满足关系式：R2＝F2(n1-n0)/(n0-2n1)，并镀9-11μm范围的增透膜；其中，n0为大气折射率，n1为ZnSe材料折射率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，包括：电控转台(1)、闪耀光栅(2)、光电探测器(3)、控制器(4)、激光增益器(5)、光学斩波器(7)和激光输出镜(8)；
所述闪耀光栅(2)和光电探测器(3)设置在电控转台(1)上，闪耀光栅(2)和光轴之间的夹角满足自准直光栅方程；光电探测器(3)接收闪耀光栅(2)的零级衍射光；控制器(4)分别与电控转台(1)和光电探测器(3)电连接，控制器(4)接收光电探测器(3)的探测信号，并给电控转台(1)发送转动控制信号；其中，闪耀光栅(2)用于对CO2激光波长调谐，光电探测器(3)用于检测CO2激光强度信号；
所述激光输出镜(8)与闪耀光栅(2)形成激光谐振腔，激光增益器(5)为CO2激光提供增益，其设置在激光谐振腔中，且其两端采用窗口镜密封；光学斩波器(7)位于靠近激光输出镜(8)一端的窗口镜和激光输出镜(8)组成的共轴、共焦系统的焦点处。
2.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，靠近闪耀光栅(2)一端的窗口镜采用材质为ZnSe的平行平板透镜，并在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％；靠近激光输出镜(8)一端的窗口镜采用焦距为F1的ZnSe正透镜(6)，在9-11μm范围内镀高透射膜，使透射率≥99.5％。
3.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述光学斩波器(7)的频率调节范围为1Hz-1kHz，占空比调节范围为1-99％。
4.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述电控转台(1)采用闭环定位的360°圆周旋转转台，其旋转步长为0.001°，重复定位精度≤0.005°。
5.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述闪耀光栅(2)采用金属原刻光栅，光栅刻线为100-300条/mm，一级衍射效率≥94％。
6.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述闪耀光栅(2)为平面光栅或凹面光栅。
7.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述光电探测器(3)采用HgCdTe探测器，前端设置100倍的衰减片。
8.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述激光增益器(5)采用射频波导CO2激光器，其注入射频功率为50W。
9.如权利要求1所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述激光增益器(5)采用直流放电玻璃管CO2激光器或射频板条CO2激光器。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器，其特征在于，所述激光输出镜(8)采用ZnSe透镜，其焦距为F2，且凹面指向激光谐振腔内一侧，并镀9-11μm范围的半透半反膜，凹面曲率半径R1＝F2；其球面指向激光谐振腔外一侧，球面曲率半径为R2，R2满足关系式：R2＝F2(n1-n0)/(n0-2n1)，并镀9-11μm范围的增透膜；其中，n0为大气折射率，n1为ZnSe材料折射率。
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