专利名称：中、远红外双波段激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种能够实现双波段激光复合出光的激光器。
背景技术：
从物理学知识上讲，一切温度高于绝对OK的物体都有红外热辐射。对某一温度的物体，辐射量最大的波长位置遵循维恩定律。物体的红外辐射大都要通过大气才能到达光学系统，某些衰减较小的波段被称作大气窗口，最常用的3个红外大气窗口是1 3微米， 3 5微米和8 12微米。各种飞行器、机动车等装备的发动机的尾气温度分布在600K 1000K范围，各种生物体的温度分布在250K 350K，对应的红外热辐射峰值波长范围则分别为3 5微米(中波红外)和8 12微米(长波红外、远红外)。因此，这两个波段在很多方面具有非常重要的应用，如红外夜视/成像/探测系统中的焦平面器件都工作在这两个波段。3 5微米和8 12微米红外焦平面器件及其系统是当前研究和应用的热点和重点之一，双波段或多波段探测和器件研制是当前及未来的发展趋势。随着中(3 5微米)、 远(8 12微米)红外双波段焦平面探测器的研究和应用，关于其信号输入和输出的标定和效应研究也必定需要开展，因此，研制出满足这些研究和应用发展需求的连续波中、远红外双波段激光器具有重要意义。此外，这种中、远红外双波段激光器在激光雷达、激光测距与定位等方面具有重要的应用。我们相信中、远红外双波段连续波激光器可以应用到更多的背景和场合，关键是能够研制出满足应用需求的高性能中、远红外双波段激光器器件，该激光器要求工作稳定，操作简便，能够长时间连续出光，具备很好的使用性能。从激光器研制的角度来讲，双波段激光器中的长波部分，可采用(X)2分子的激射， 相应器件已经成熟并广泛应用；中波部分可以采用DF分子激射，其原理成熟，燃烧驱动DF 激光输出功率已经实现兆瓦级，但一般连续工作时间很短，就国内目前的技术来说，国防科学技术大学定向能技术研究所研制的电激励连续波DF激光器能够实现稳定、长时间连续出光。如图1所示，如果两台激光器(O)2激光器和DF激光器)、两组谐振腔出光，再通过搭设后续的双光束合成光路系统将两束不同波段的激光进行合成，也可以实现中、远红外激光器组合出光。然而，这种技术方案有以下明显不足之处(1)两束不同波段的激光五维不同轴(空间三维加上角度两维)，需要多面镜子才能使它们的光轴重合，因此光路调节麻烦，并容易受外界振动等干扰；(2)激光器关机一段时间后再重新启动时，激光光轴与之前会有一定的偏差，即合成两束激光的光路需要重新调节；(3)光路中多个镜片需要镀制红外双波段膜层，镀制双波段膜层工艺复杂，价格昂
虫贝；(4)由于中红外、远红外两种激光人眼都不可见，需要借助可见激光作为光腔调节的准直光和后续光路调节的导引光，或通过热像仪等辅助工具来观测光斑位置。然而导引
4光与红外激光的光轴并不能完全重合，热像仪等辅助手段则只能用于观测光斑位置，因此使用这种方式调节完成后，中、远红外两束激光光轴的重合度不高。除上述技术方案以外，目前还没有可以满足实际应用需求的高性能中(3 5微米)、远(8 12微米)红外双波段激光器器件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作方便、工作稳定、 光路调节简单、能够长时间连续出光、且能够有效实现中红外和远红外双波段激光复合出光的中、远红外双波段激光器。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种中、远红外双波段激光器，所述中、远红外双波段激光器包括(X)2激光增益模块和DF激光增益模块，所述(X)2激光增益模块包括依次相连接的(X)2激光放电管、CO2激光增益发生器和(X)2激光热交换管，所述DF激光增益模块包括依次相连接的DF激光放电管、DF激光增益发生器和DF激光热交换管，所述(X)2激光热交换管和DF激光热交换管均连接于真空系统，所述(X)2激光增益模块和DF激光增益模块相互并排设置，所述(X)2激光增益发生器和DF激光增益发生器相邻靠的内侧相互连通形成所述双波段激光器的增益介质区，所述增益介质区的两侧通过管道分别连接双波段全反镜和双波段输出镜，所述双波段全反镜和双波段输出镜之间形成有一提取所述增益介质区内CO2激光增益介质和DF激光介质的激光谐振腔。本发明的中、远红外双波段激光器中，中波采用氟原子与氘气的冷反应泵浦体系形成氟化氘分子增益介质，长波利用近共振传能原理形成二氧化碳分子增益介质，这两种介质并排形成本发明双波段激光器的增益介质，通过同一组双波段透射膜层稳定腔或反射膜层非稳腔提取，从而在同一台激光器中同时产生中(3 5微米)、远(8 12微米)红外双波段连续波激光的输出。上述的中、远红外双波段激光器中，所述增益介质区包括位于所述CO2激光增益发生器内的CO2激光增益介质区和位于所述DF激光增益发生器内的DF激光增益介质区，所述(X)2激光增益介质区和DF激光增益介质区并排排列，之间优选通过气幕形成隔绝。该气幕优选为通氮气后形成的队气幕。上述的中、远红外双波段激光器中，所述DF激光增益模块优选的泵浦反应体系优选为所述DF激光放电管中通入的氟源气体(指含有F原子的气体)可以是NF3、SF6、CF4、 F2等，但优选为NF3，所述DF激光放电管中通入的放电辅助性气体可以为He、Ar、N2、02、C2H6 等，优选为He ；所述DF激光增益发生器内通入的燃料气体为D2，所述DF激光增益发生器内通入的稀释剂气体为He。上述DF激光增益模块优选的泵浦反应体系的反应原理如下氟源放电解离NF3+He— NFi+(3_i) F+He，i 彡 2 (1)泵浦反应F+D2— DF ( u ) +D(2)。上述的中、远红外双波段激光器中，所述CO2激光增益模块的泵浦反应体系优选为所述(X)2激光放电管中通入的放电激发气体为队，所述(X)2激光放电管中通入的放电辅助性气体为He ；所述(X)2激光增益发生器内通入的共振传能气体为(X)2 ；此种泵浦反应体系的反应原理如下，即先将队气与He气一起注入到放电管中，产生激发态队分子，激发态N2 分子再与基态(X)2分子共振传能，在(X)2激光增益发生器中生成激发态(X)2分子
放电激发队+He- N2 ( υ ) +He(3)共振传能Ν2( u ) +CO2 — N2+C02 (υ) ⑷。 上述的中、远红外双波段激光器中，所述DF激光放电管和(X)2激光放电管均优选采用高压直流辉光放电。两种激光放电管的结构可以完全相同，也可以根据应用需求进行改动；可采用单根放电管形式，也可以采用放电管阵列；放电管的阴极、阳极都可以根据应用需求选用针、环、板等多种形状及选择镍、不锈钢、铜、铝等多种材料。上述的中、远红外双波段激光器中，与DF激光介质相比，CO2激光介质激射区比较长，增益峰值位置更靠后，这对采用共同激光谐振腔的本发明的双波段激光器来说，可以通过位置平移来实现两种激光器增益介质峰值位置(两种增益介质的峰值位置即为激光器的最佳光轴位置)的匹配，即使CO2激光增益发生器内发生混合泵浦与弛豫反应的位置位于DF激光增益发生器内相应位置的上游。具体的，所述DF激光增益发生器包括上部构件和下部构件，所述上部构件和下部构件中各优选设有一込气体注入管，所述A气体注入管上各设有一排与所述增益介质区(即DF激光增益介质区)连通的D2气体注入孔，位于上部构件中的A气体注入孔和位于下部构件中的A气体注入孔呈交错布置。所述(X)2激光增益发生器同样包括上部组件和下部组件，所述上部组件和下部组件中各优选设有至少五根的(X)2气体注入管，每根(X)2气体注入管上设有一排与所述增益介质区(即(X)2激光增益介质区)连通的(X)2气体注入孔，位于上部组件中的(X)2气体注入孔和位于下部组件中的(X)2 气体注入孔呈交错布置。通过注入泵浦反应气体的位置差别，可以使两种介质用于激光提取的增益峰值位置较好地实现匹配。上述的中、远红外双波段激光器中，所述双波段全反镜和双波段输出镜组成的激光谐振腔提取激发态DF分子和(X)2分子形成的增益；对于本发明的双波段激光器而言，多种类型的稳定腔和非稳腔都是适用的，内腔式或外腔式结构也都是可行的，本发明中的激光谐振腔优选采用内腔式稳定谐振腔，镜架采用二维正交调节机构，准直完成后可以锁定； 光轴位置可以通过真空通道两侧的滑块板进行前后调节，从而满足双波段激光器光轴匹配的相关要求。在上述双波段全反镜和双波段输出镜组成的激光谐振腔中，所述双波段全反镜优选为镀制金属膜的凹面镜，所述双波段输出镜则优选为镀制中、远红外双波段透射膜的平面镜，窗口材料需要在中红外(3微米 5微米)和远红外(8微米 12微米)双波段都有较高的透射率(如硒化锌窗口)，所述激光谐振腔则优选为所述凹面镜和所述平面镜组成的平凹稳定腔。因为两组增益介质由同一组激光谐振腔输出激光，因此中红外、远红外两种激光的光轴完全重合，光斑模式匹配良好。上述的中、远红外双波段激光器中，所述DF激光热交换管和(X)2激光热交换管内部包含水冷管道，作用是对激光器废气进行冷却降温。所述真空系统主要由真空泵及真空管道组成，其功能在于为本发明的双波段激光器提供维持工作所需的压强，并迅速抽走提取过功率后的废气。为此，本发明双波段激光器的各组件之间应真空密封连接。与现有技术相比，本发明的优点在于(1)本发明的双波段激光器不需要另外增设复杂光路来将两束激光进行合成，激光谐振腔和后续光路的调节非常方便，系统更加简单、可靠；(2)本发明双波段激光器通过同一组腔镜提取中红外、远红外两种激光介质的增
6益，输出的中红外、远红外两种激光的光轴能够完全重合，光斑模式匹配性好，更加适合远距离传输应用；(3)本发明双波段激光器中各组件可以整体封装，系统的机动性能更好，运输、操作及使用更加方便。(4)由于高压直流辉光放电十分稳定，本发明双波段激光器产生的气流温度较低， 激光器的输出功率不高(百瓦量级)时，工作气体与电路功率消耗都比较小，废热能够迅速排出，因此本发明的双波段激光器能够长时间稳定工作；(5)此外，由于本发明双波段激光器中的DF激光增益模块和(X)2激光增益模块的主体结构及电、气、水路供给基本上互不干涉，因此，本发明双波段激光器的输出功率是分别可调的。综上，本发明的双波段激光器不仅操作方便、工作稳定，光路调节简单，能够长时间连续出光，而且具备良好使用性能，能够有效实现中红外(3微米 5微米)和远红外(8 微米 12微米)双波段激光的复合出光。
图1为现有双波段激光器组合出光的原理图。图2为本发明实施例中的中、远红外双波段激光器的立体图。图3为本发明实施例中的中、远红外双波段激光器的结构示意图。图4为图3中的激光增益发生器在A-A处的剖面结构示意图。图5为图3中的(X)2激光增益发生器在B-B处的剖面结构示意图。图6为图3中的DF激光增益发生器在C-C处的剖面结构示意图。图7为图4中D处的局部放大图(以上图4 图7中主要是为了示出实现两种激光器增益介质峰值位置匹配的结构原理，大部分常规的管道布设在这些示意图中没有画出)。图8为本发明实施例中C02、DF激光上能级粒子数随C02/D2喷注孔距离的分布图。图例说明1、DF激光放电管；2、CO2激光放电管；3、DF激光增益发生器；31、D2气体注入孔； 32、DF激光增益介质区；33、上部构件；34、下部构件；35、D2气体注入管；4、CO2激光增益发生器；41、CO2气体注入孔；42、CO2激光增益介质区；43、上部组件；44、下部组件；45、CO2气体注入管；5、双波段全反镜；6、双波段输出镜；7、DF激光热交换管；8、C02激光热交换管；9、 真空系统；10、气幕；11、N2注入管道；12、双波段输出窗口。
具体实施例方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。实施例一种如图2、图3所示的本发明的中、远红外双波段激光器，该双波段激光器包括 CO2激光增益模块和DF激光增益模块，CO2激光增益模块包括依次相连接的(X)2激光放电管 2、CO2激光增益发生器4和(X)2激光热交换管8，DF激光增益模块则包括依次相连接的DF 激光放电管1、DF激光增益发生器3和DF激光热交换管7，CO2激光热交换管8和DF激光热交换管7均连接于真空系统9。前述两种激光放电管的结构完全相同，阳极为单根镍针， 放电气流环绕阳极注入；阴极为表面镀镍的铜环，气流方向为从阳极流向阴极。由图2、图3可见，本实施例中的(X)2激光增益模块和DF激光增益模块相互并排设置，且相互平行，方向一致，其中，CO2激光增益发生器4和DF激光增益发生器3相邻靠的内侧相互连通形成一增益介质区。很明显，本实施例中的增益介质区包括位于CO2激光增益发生器4内的(X)2激光增益介质区42和位于DF激光增益发生器3内的DF激光增益介质区 32，CO2激光增益介质区42和DF激光增益介质区32并排排列，之间通过气幕10形成气幕隔绝。如图3 图7所示，本实施例中是通过位置平移来实现两种激光器增益介质峰值位置的匹配。其中，DF激光增益发生器3包括上部构件33和下部构件34，上部构件33和下部构件34中各设有一 &气体注入管35，D2气体注入管35上各设有一排与DF激光增益介质区32连通的&气体注入孔31 (共85个孔)，位于上部构件33中的仏气体注入孔31 和位于下部构件34中的込气体注入孔31呈交错布置(参见图7)。(X)2激光增益发生器4 则包括上部组件43和下部组件44，上部组件43和下部组件44中各设有五根(X)2气体注入管45，每根(X)2气体注入管45上设有一排与(X)2激光增益介质区42连通的(X)2气体注入孔 41 (共425个孔)，位于上部组件43中的(X)2气体注入孔41和位于下部组件44中的(X)2气体注入孔41呈交错布置(参见图7)。因为&气体注入管35和&气体注入孔31的位置固定，可以先利用平凹腔扫描法确定DF激光器的最佳光轴位置，此光轴位置即为DF-(X)2两种增益介质的共同光轴位置，然后通过开启不同排的(X)2气体注入管45所对应连接的(X)2气路阀门，能够调节(X)2气体的混合及泵浦反应的起始位置，进而实现(X)2激光器光轴位置的单独调节(调节范围为32mm)，使CO2增益介质的增益峰值位置与前述共同光轴相匹配。当然，较大幅度的改变气流量、腔压等工作条件后，两种增益介质的增益峰值位置也会有所变化，也可以通过上述步骤重新确定最佳光轴位置。增益介质区的两外侧则通过管道分别连接双波段全反镜5和双波段输出镜6，双波段全反镜5和双波段输出镜6构成了提取增益介质区内(X)2激光增益介质和DF激光介质的激光谐振腔(如图3中箭头所跨区域)，激光谐振腔内包含了 DF激光增益发生器3和 CO2激光增益发生器4产生的DF和(X)2增益介质及气幕10。如图3所示，本实施例中的双波段全反镜5为镀制金属膜的凹面镜，双波段输出镜6为镀制中、远红外双波段透射膜的平面镜，激光器采用内腔式结构，中、远红外双波段激光经双波段输出镜6后透过双波段输出窗口 12输出，窗口材料在中红外(3微米 5微米)和远红外(8微米 12微米)双波段都有较高的透射率(本实施例即选用硒化锌窗口)，本实施例中的激光谐振腔11即为凹面镜-平面镜组成的平凹稳定腔(但还可选用其他各种类型及结构形式的光腔)。本实施例中DF激光热交换管7的一端与DF激光增益发生器3相连通，另一端与真空系统9连通；本实施例中(X)2激光热交换管8的一端与CO2激光增益发生器4相连通， 另一端与真空系统9连通。真空系统9主要由真空泵及真空管道组成，其功能在于为本实施例的双波段激光器提供维持工作所需的压强，并迅速抽走提取过功率后的废气。本实施例中DF激光放电管1和(X)2激光放电管2的结构和外形尺寸相同；DF激光增益发生器3和(X)2激光增益发生器4的结构不同，但外形尺寸相同；DF激光热交换管7和 CO2激光热交换管8的结构和外形尺寸相同。本实施例双波段激光器的各组件之间真空密封连接。本实施例的中、远红外双波段激光器的工作原理为首先，向本实施例的DF激光放电管1中通入氟源气体NF3和放电辅助性气体 He (放电辅助性气体用作稀释剂，主要起到降低放电管起辉电压、维持放电、促进氟源解离等作用)，然后通过高压直流辉光放电产生含F原子的混合气流，反应式如下氟源放电解离NF3+He— NFi+(3-i) F+He, i ^ 2 ；产生的含F原子的混合气流进入到DF激光增益发生器3中，并与通入到DF激光增益发生器3中的燃料气体D2发生如下的泵浦反应，生成激发态DF分子，同时向DF激光增益发生器3中注入适量的副稀释剂(He气)以提高DF激光的输出性能泵浦反应F+D2-DF(u)+D；与此同时，向本实施例的CO2激光放电管2中通入放电激发气体为队和放电辅助性气体He，通过高压直流辉光放电产生激发态队分子，反应式如下放电激发:N2+He- N2 ( υ ) +He ；产生的激发态队分子进入到(X)2激光增益发生器4中，并与通入到(X)2激光增益发生器4中的基态(X)2分子发生下式所述的共振传能，在(X)2激光增益发生器4中生成激发态CO2分子共振传能=N2( υ ) +CO2 — N2+C02 (υ)。由于CO2气体分子量较D2大(比热比较込小)，根据气体动力学流量公式可知， CO2气体注入需要较大的流通面积，因此，CO2激光增益发生器4模块选择了较大的注气孔径 (本实施例具体为Φ0. 6mm)，较込气孔(Φ0. 4mm)大。因为激发态DF分子与基态(X)2分子之间也会产生共振传能，所以DF激光增益发生器3与(X)2激光增益发生器4之间用队气幕 10隔绝，N2气从如图5、图6所示的队注入管道11两侧注入，防止两种增益介质之间相互干扰。 上述泵浦反应生成的激发态DF分子与基态DF、D2、F、H、N2、NF3等粒子发生碰撞弛豫到基态，激发态(X)2分子与He、&、基态(X)2等粒子发生碰撞弛豫到基态。泵浦、弛豫及相关反应过程的速率方程和数据在此不详细列出。根据泵浦和弛豫反应相关数据，我们可以计算得到中、远红外两个波段激光器的上能级粒子数随距离分布的理论曲线，如图8所示。 激发态(X)2分子的生成与弛豫速率均比DF分子的对应值慢约一到二个数量级，即与DF激光介质相比，CO2激光介质增益峰值位置更靠后，激射区长度更长。试验测量结果与图8中理论曲线基本符合，DF激光器增益区长度约10mm，其峰值位于D2注入的位置下游2mm 3mm， 峰值附近下降迅速，CO2激光器增益区长度大于30mm，峰值附近下降缓慢。
上述反应进行后，双波段全反镜5和双波段输出镜6组成的激光谐振腔便开始提取激发态DF分子和(X)2分子形成的增益；两组增益介质均由同一组激光谐振腔输出激光， 根据观察结果，本发明双波段激光器输出的的中红外、远红外两种激光的光轴完全重合，且光斑模式匹配良好。
权利要求
1.一种中、远红外双波段激光器，所述中、远红外双波段激光器包括CO2激光增益模块和DF激光增益模块，所述(X)2激光增益模块包括依次相连接的(X)2激光放电管、CO2激光增益发生器和(X)2激光热交换管，所述DF激光增益模块包括依次相连接的DF激光放电管、DF 激光增益发生器和DF激光热交换管，所述(X)2激光热交换管和DF激光热交换管均连接于真空系统，其特征在于所述(X)2激光增益模块和DF激光增益模块相互并排设置，所述CO2 激光增益发生器和DF激光增益发生器相邻靠的内侧相互连通形成所述双波段激光器的增益介质区，所述增益介质区的两侧通过管道分别连接双波段全反镜和双波段输出镜，所述双波段全反镜和双波段输出镜之间形成有一提取所述增益介质区内CO2激光增益介质和DF 激光介质的激光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述增益介质区包括位于所述(X)2激光增益发生器内的(X)2激光增益介质区和位于所述DF激光增益发生器内的 DF激光增益介质区，所述(X)2激光增益介质区和DF激光增益介质区并排排列，之间通过气幕形成隔绝。
3.根据权利要求2所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述气幕为氮气气眷ο
4.根据权利要求1或2或3所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述DF激光放电管中通入的氟源气体为NF3，所述DF激光放电管中通入的放电辅助性气体为He，所述DF激光增益发生器内通入的燃料气体为D2，所述DF激光增益发生器内通入的稀释剂气体为He。
5.根据权利要求1或2或3所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述(X)2激光放电管中通入的放电激发气体为队，所述CO2激光放电管中通入的放电辅助性气体为He ； 所述(X)2激光增益发生器内通入的共振传能气体为C02。
6.根据权利要求1或2或3所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述DF激光增益发生器包括上部构件和下部构件，所述上部构件和下部构件中各设有一 A气体注入管，所述A气体注入管上各设有一排与所述增益介质区连通的A气体注入孔，位于上部构件中的A气体注入孔和位于下部构件中的A气体注入孔呈交错布置。
7.根据权利要求6所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述CO2激光增益发生器包括上部组件和下部组件，所述上部组件和下部组件中各设有至少五根的(X)2气体注入管，每根(X)2气体注入管上设有一排与所述增益介质区连通的(X)2气体注入孔，位于上部组件中的(X)2气体注入孔和位于下部组件中的(X)2气体注入孔呈交错布置。
8.根据权利要求1或2或3所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述CO2激光增益发生器包括上部组件和下部组件，所述上部组件和下部组件中各设有至少五根的(X)2 气体注入管，每根(X)2气体注入管上设有一排与所述增益介质区连通的(X)2气体注入孔，位于上部组件中的(X)2气体注入孔和位于下部组件中的(X)2气体注入孔呈交错布置。
9.根据权利要求7所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述双波段全反镜为镀制金属膜的凹面镜，所述双波段输出镜为镀制中、远红外双波段透射膜的平面镜，所述激光谐振腔为所述凹面镜和所述平面镜组成的平凹稳定腔。
10.根据权利要求1或2或3所述的中、远红外双波段激光器，其特征在于所述双波段全反镜为镀制金属膜的凹面镜，所述双波段输出镜为镀制中、远红外双波段透射膜的平面镜，所述激光谐振腔为所述凹面镜和所述平面镜组成的平凹稳定腔。
全文摘要
本发明公开了一种中、远红外双波段激光器，其包括CO2激光增益模块和DF激光增益模块，CO2激光增益模块包括依次相连接的CO2激光放电管、CO2激光增益发生器和CO2激光热交换管，DF激光增益模块包括依次相连接的DF激光放电管、DF激光增益发生器和DF激光热交换管，两个激光热交换管均连接于真空系统，两个激光增益模块相互并排设置，CO2激光增益发生器和DF激光增益发生器相邻靠的内侧相互连通形成双波段激光器增益介质区，增益介质区的两侧通过管道分别连接双波段全反镜和双波段输出镜，两镜之间形成有一能够提取两种增益介质的激光谐振腔。本发明的激光器操作方便、工作稳定、光路调节简单、能够有效实现中、远红外双波段激光复合出光。
文档编号H01S3/223GK102208749SQ201110095119
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者刘泽金, 华卫红, 司磊, 李强, 罗威, 袁圣付, 闫宝珠, 陈金宝 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学