一种快速调谐脉冲CO2激光器的制作方法

本发明涉及激光快调谐技术领域，具体的说，涉及一种快速调谐脉冲CO₂激光器。

背景技术：

快速调谐脉冲CO₂激光器在大气透射窗口9μm～11μm范围内拥有百余条谱线，对应了多种气体的吸收峰，是激光差分吸收雷达的理想光源。激光差分吸收雷达工作原理是向待测区域发射两束波长不同的激光，一束是与待测气体吸收峰重合的测量光束，另一束是与待测气体吸收峰偏离的参考光束。为了排除大气抖动引起的测量误差，要求在大气“冻结”时间(1ms)内同向发射两束不同波长的激光用于高精度气体差分探测。因此，快调谐脉冲CO₂激光器作为远红外激光差分吸收雷达的光源而备受关注。如专利公开号为“ZL200810051433.4”的“一种波长可调谐的编码输出声光调Q脉冲CO₂激光器”，它采用光栅作为波长调谐器件，采用声光调制器作为调Q器件，实现了9μm～11μm范围数十条激光谱线的可调谐脉冲输出，但其波长调谐靠手动旋转光栅面完成，调谐速度慢。专利公开号为“CN 101071929A”的“光栅选支快速调谐激光谐振腔”，该专利提出采用伺服电机驱动光栅旋转的方法实现波长调谐，它虽可实现波长快速调谐，但由于在波长调谐过程中采用运动部件(电机驱动光栅旋转)，因而在波长调谐的稳定性和重复性方面具有难以克服的缺点，且机械定位精度难以控制。

因此，如何提供一种快速调谐脉冲CO₂激光器，实现波长稳定的快速切换，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种快速调谐脉冲CO₂激光器，实现波长稳定的快速切换。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种快速调谐脉冲CO₂激光器，其包括：

光栅组件，所述光栅组件包括第一金属原刻光栅和第二金属原刻光栅；

声光偏转器，所述声光偏转器的光轴与所述第一金属原刻光栅的法线呈自准直角设置，所述第二金属原刻光栅的法线与所述声光偏转器偏转后的光轴呈自准直角设置；

声光偏转器驱动电源，控制所述声光偏转器的启停；

CO₂激光增益区装置；

激光输出镜，所述激光输出镜的光轴、所述声光偏转器的输入端的光轴以及所述CO₂激光增益区装置的光轴共线，所述声光偏转器位于所述光栅组件与所述CO₂激光增益区装置之间。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，快速调谐脉冲CO₂激光器的声光调制器位于所述声光偏转器与所述CO₂激光增益区装置之间；

声光调制器驱动电源，控制所述声光调制器启停。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，还包括与所述声光偏转器驱动电源和所述声光调制器驱动电源均信号连接的信号发生器，当所述声光偏转器的光路切换过程中所述声光调制器驱动电源打开。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，还包括在所述声光调制器与CO₂激光增益区装置之间依次布置且光轴均与所述激光输出镜的光轴重合的光束耦合单元和选模光阑。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述光束耦合单元包括至少两个光轴重合的透镜。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述CO₂激光增益装置的两端由硒化锌的布儒斯特窗封装。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述激光输出镜为半透半反镀膜的硒化锌凹透镜。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述第一金属原刻光栅和所述第二金属原刻光栅的工作面均可旋转。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述第一金属原刻光栅安装在第一高精密转台上，所述第二金属原刻光栅安装在第二高精密转台上。

优选地，上述的快速调谐脉冲CO₂激光器中，所述声光偏转器包括石英材料的超声发生器和锗材料的声光晶体。

经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种快速调谐脉冲CO₂激光器，包括光栅组件、声光偏转器、声光偏转器驱动电源、激光增益区装置和激光输出镜。采用上述结构，为了选取不同两种波长，增加了用于控制声光偏转器启停的声光偏转器驱动电源。当声光偏转器驱动电源不工作时，属于一种波长，而当声光偏转器驱动电源工作时，使声光偏转器工作后，则属于另一种波长，即实现两种波长的切换。通过上述描述过程可知，实现波长调谐的方式仅在于声光偏转器的启停，因此，调谐速度快，重复切换稳定性高，调谐范围宽，脉冲重复频率可调，易于操作，方便维护等。而且在切换波长时，可仅使声光偏转器工作，不需要电机驱动光栅旋转，避免了机械定位精度难以控制的问题，提高了波长调谐的稳定性和重复性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的快速调谐脉冲CO₂激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的声光偏转器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种快速调谐脉冲CO₂激光器，实现波长稳定的快速切换。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明公开了一种快速调谐脉冲CO₂激光器，包括光栅组件、声光偏转器5、声光偏转器驱动电源7、CO₂激光增益区装置12和激光输出镜14。其中，光栅组件包括第一金属原刻光栅1和第二金属原刻光栅3，并且这两个光栅的工作面均可旋转，以调节光栅的波长和角度。对于第一金属原刻光栅1的法线与声光偏转器5的光轴呈自准直角设置，而第二金属原刻光栅3的法线与声光偏转器5转后的光轴呈自准直角设置。当需要切换波长时只需要启动声光偏转器5即可。对于第一金属原刻光栅1和第二金属原刻光栅3两者的工作面的位置需要在选定好波长后确定后。

为了选取不同两种波长，设置了用于控制声光偏转器5启停的声光偏转器驱动电源7。当声光偏转器驱动电源7不工作时，属于一种波长，而当声光偏转器驱动电源7工作时，使声光偏转器5工作后，则属于另一种波长，即实现两种波长的切换。通过上述描述过程可知，实现波长调谐的方式仅在于声光偏转器5的启停，因此，调谐速度快，重复切换稳定性高。

激光输出镜14的光轴、CO₂激光增益区装置12的光轴与声光偏转器5的输入端的光轴共线，声光偏转器5位于光栅组件与激光输出镜14之间。第一金属原刻光栅1和第二金属原刻光栅3分别与激光输出镜14组成谐振腔。声光偏转器5的输入端靠近光栅组件的一端。

采用上述结构，由于增加了声光偏转器5，具有选定波长调谐速度快，重复切换稳定性高，调谐范围宽，易于操作，方便维护等。而且在切换波长时，可仅使声光偏转器5工作，不需要电机驱动光栅旋转，避免了机械定位精度难以控制的问题，提高了波长调谐的稳定性和重复性。

具体的实施例中，该快速调谐脉冲CO₂激光器具有声光调制器6和声光调制器驱动电源8。其中，声光调制器6位于声光偏转器5与激光输出镜14之间，而声光调制器驱动电源8控制声光调制器6的启停。在实际操作过程中，为了避免出现激光光谱“鬼线”的问题，在声光偏转器5的光路偏转扫描过程中需要切断激光的输出，因此，此时声光调制器驱动电源8打开，使声光调制器6处于声光衍射状态，即光路关断，此时谐振腔内无激光谐振，避免了“鬼线”的出现。

为了实现自动化控制，本申请中公开的快速调谐脉冲CO₂激光器还包括信号发生器9，该信号发生器9与声光偏转器驱动电源7和声光调制器驱动电源8均信号连接，并且当声光偏转器5的光路切换过程中声光调制器驱动电源8打开。

在信号发生器9控制下，声光偏转器驱动电源7关闭，声光偏转器5不工作，此时第一金属原刻光栅1与激光输出镜14组成谐振腔，通过旋转第一高精密转台2实现第一激光波长谐振输出；其次，在信号发生器9控制下，声光偏转器驱动电源7打开，声光偏转器5开始工作，光路偏转，此时第二金属原刻光栅3与激光输出镜14组成谐振腔，通过旋转第二高精密转台4实现第二激光波长谐振输出。声光调制器6在信号发生器9和声光调制器驱动电源8控制下工作，完成CO₂激光调Q过程，实现激光脉冲输出。信号发生器9通过时序编程控制，确保在声光偏转器5光路切换过程中，声光调制器6处于声光衍射状态(光路关断)，此时谐振腔内无激光谐振，从而消除了声光偏转器5在光路偏转扫描过程中出现激光光谱“鬼线”的可能。声光偏转器5工作频率可达1kHz，即在1ms时间内，可完成一次光路偏折切换，因此在信号发生器9的控制下，快调谐脉冲CO₂激光器选定波长间的切换时间可短至1ms。

进一步的实施例中，在声光调制器6和激光输出镜14之间依次设置有光束耦合单元10和选模光阑11，并且光束耦合单元10和选模光阑11两者的光轴与激光输出镜14的光轴均重合。

其中，光束耦合单元10包括至少两个光轴重合的透镜，采用“望远镜”结构布置，其功能为一侧匹配CO₂激光增益区装置12孔径和另一侧匹配声光调制器6的孔径，光束耦合单元10在靠近CO₂激光增益区装置12有较大光束直径即透镜面积较大以便于激光增益提取，在靠近声光调制器6的光束直径较小即透镜面积较小以便于压缩光束在声光调制器6内的渡越时间。上述的选模光阑11为小孔光阑，其功能为限制激光高阶模振荡，提升激光光束质量。所述的CO₂激光增益区装置12两端由硒化锌材料的布儒斯特窗13封装，满足声光调制器6和声光偏转器5对入射激光偏转特性的要求，实现激光线偏振输出。

激光输出镜14采用半透半反镀膜的硒化锌凹透镜。第一金属原刻光栅1和第二金属原刻光栅3均为自准直光栅，并且第一金属原刻光栅1固定在第一高精密转台2上，第二金属原刻光栅3固定在第二高精密转台4上，在高精密转台带动下，可实现光栅旋转。

本申请中的声光偏转器5是完成谐振腔内光路偏折的元件，是快速调谐系统的核心，它包括超声发生器51和声光晶体52组成。声光晶体52采用9～11μm波段透过率良好的多晶锗材料，晶体内超声波传输速度v_s为5.5km/s，有效通光口径8mm，波段内单程透过率大于95％。超声发生器51选择电功率到声功率转换效率高的石英材料，在声光偏转器驱动电源7驱动下，其谐振频率f_s为40.68MHz。声光偏转角计算公式为θ＝2arcsin(λf_s/2v_s)，据此计算，声光偏转器5可将光路偏转的角度为4.5°，该角度足以满足光路偏折应用需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。