基于等离子体开关的横向激励CO2激光窄脉冲产生装置的制作方法

本公开涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于等离子体开关的横向激励CO2激光窄脉冲产生装置。

背景技术：

高功率高重复率横向激励(Transversely Excited，TE)CO2激光在激光加工和军事上有广泛的用途。TE CO2激光通常由高功率窄脉冲(100ns)和低功率长拖尾部分(3～5μs)组成。在某些要求高功率窄脉冲激光的应用领域，典型TE CO2激光脉冲的低功率长拖尾部分会对应用产生不利影响，必须想办法去除。比如在激光雷达应用中，长拖尾部分会降低分辨率；在倍频过程应用中，长拖尾部分会影响倍频的转换效率，甚至损坏晶体；在极紫外激光等离子体光源应用中，低功率长拖尾部分对极紫外带内辐射不能形成有效贡献，导致较低的转换效率。

获取短脉冲的CO2激光脉冲整形技术通常有锁模、调Q、烧蚀金属靶材和等离子体开关等方法。其中，锁模技术由于激光脉冲整形后输出的脉冲能量太低，需要对其放大后才能应用，方案相当复杂；声光或电光调Q技术则需特殊设计的同步方案来精确控制电光开关时间，得到的脉冲能量也很低，且调Q晶体价格高昂，容易损坏。烧蚀金属靶材技术虽然能获得超短脉冲，由于金属靶材的烧蚀和散射，使得整形后的激光脉冲能量下降为初始激光能量的几十分之一，实际无法真正实用。

等离子体开关技术作为一种良好的激光脉冲整形方法，使TE CO2激光有望在激光雷达、激光倍频、极紫外激光等离子体光源等方面得到应用。2000年T.Gasmi等通过激光脉冲聚焦在专门的背景气体中形成等离子体开关。在激光脉冲的某个特定时刻形成等离子体，激光脉冲的剩余部分被等离子吸收，达到整形激光脉冲的目的，如图1所示。2003年C.Bellecci等通过增加高压放电辅助手段快速击穿背景气体，形成等离子体开关，如图2所示。

综上可见，现有只能在特定的条件下形成等离子体开关，效率低下，需要专门的气体池和额外的辅助装置，结构相对复杂。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种基于等离子体开关的TE CO2激光窄脉冲产生装置，采用带孔等离子体开关(以下也称小孔等离子体开关)有效切断TE CO2激光脉冲低功率长拖尾部分，达到压缩激光脉冲宽度的目的，结构简单、操作方便。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于等离子体开关的横向激励(TE)CO2激光窄脉冲产生装置，包括：聚焦透镜；等离子体开关，由固体材质构成，位于所述聚焦透镜的焦点处，其上具有一孔，TE CO2激光经所述聚焦透镜聚焦在所述等离子体开关的所述孔处形成等离子体，TE CO2激光的拖尾部分被所述等离子体吸收，从而产生激光窄脉冲；以及准直透镜，与所述聚焦透镜同轴设置，用于将所述激光窄脉冲准直后输出。

在一些实施例中，TE CO2激光的拖尾部分被所述等离子体吸收，即得到整形后的激光脉冲；通过改变所述聚焦透镜与所述孔的位置控制整形后的激光脉冲宽度。

在一些实施例中，所述等离子体开关上的所述孔的孔径小于激光焦斑尺寸。

在一些实施例中，所述等离子体开关的材质为金属。

在一些实施例中，所述等离子体开关的材质为黄铜、铝或不锈钢。

在一些实施例中，所述的横向激励CO2激光窄脉冲产生装置，还包括：TE CO2激光器，用于输出所述TE CO2激光。

在一些实施例中，所述TE CO2激光器输出的激光波长为10.6μm、10.3μm、9.6μm或9.3μm，激光介质为CO2、N2和He的混和气。

在一些实施例中，所述聚焦透镜和准直透镜均为ZnSe透镜。

在一些实施例中，所述聚焦透镜和准直透镜的焦距相同，聚焦透镜和准直透镜之间的间距为所述聚焦透镜的焦距的2倍。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于小孔等离子体开关的TE CO2激光窄脉冲产生装置具有以下有益效果：

(1)采用小孔等离子体开关有效切断TE CO2激光脉冲低功率长拖尾部分，实现了50～110ns的窄脉冲CO2激光输出，达到压缩激光脉冲宽度的目的，结构简单、操作方便。

(2)本公开装置基于由固体材质构成小孔等离子体开关得到窄脉冲激光束，相较于现有通过增加高压放电或另一路激光脉冲等辅助手段快速击穿背景气体形成的等离子体开关，本公开装置结构简单，易于实现，降低了成本。

(3)小孔等离子体开关的材料采用黄铜、铝或不锈钢，这三种材料的CO2激光形成等离子体阈值约为8～10MW/cm²，相较于现有的现有通过增加高压放电或另一路激光脉冲等辅助手段快速击穿背景气体形成的等离子体开关，大幅降低了形成等离子所需的功率密度。

(4)本公开采用的小孔等离子体开关，制作简单、造价低廉，一旦损坏更换也十分方便，可以很好的满足窄脉冲激光的应用需求。

(5)对于本公开TE CO2激光窄脉冲产生装置，通过在一定范围内改变小孔的离焦距离可以方便控制整形后激光脉冲宽度。

附图说明

图1为现有背景气体等离子体开关结构示意图。

图2为高压放电辅助击穿背景气体等离子体开关结构示意图。

图3为小孔固体等离子体开关的激光脉冲整形装置结构示意图。

<符号说明>

1-ZnSe聚焦透镜；2-ZnSe准直透镜；3、4-ZnSe窗口；5-背景气体容器，6-激光等离子体；

11-入射激光束；12-ZnSe聚焦透镜；13-PVC材质容器；14-电流计；15-准直透镜；

111-入射激光；112-聚焦透镜；113-小孔等离子体开关；114-准直透镜；115-出射激光。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本公开提供了一种基于小孔等离子体开关的TE CO2激光窄脉冲产生装置，包括：

聚焦透镜；

小孔等离子体开关，由固体材质构成，通常位于所述聚焦透镜的焦点处，TE CO2激光经所述聚焦透镜聚焦在所述等离子体开关的小孔处形成等离子体，TE CO2激光的拖尾部分被所述等离子体吸收，从而产生激光窄脉冲；以及

准直透镜，与所述聚焦透镜同轴设置，用于将所述激光窄脉冲准直后输出。

由于脉冲CO2激光在空气中的击穿阈值约为10⁹W/cm²，而在固体表面附近击穿阈值约为10⁷-10⁸W/cm²，因此可以将带孔表面放置在透镜焦点附近产生等离子体。在小孔周围的固体表面由于击穿阈值较低，可以形成等离子体，等离子体迅速向四周扩散，入射激光被等离子体迅速吸收，等离子体密度快速增加，等离子体频率wp与等离子体密度n的关系由公式(1)得：

式中e为电子电量，m为电子质量，为介电常数。由上式(1)可知，等离子体密度n的增加会导致wp的快速变大，当wp大于入射激光频率时，等离子体层由透明介质变为非透明物质，等离子体起关断作用，使得CO2激光脉冲的长拖尾部分无法通过，入射激光脉冲被切断，从而实现对激光脉冲宽度的控制和压缩。

由此，本公开采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以有效切断TECO2激光脉冲低功率长拖尾部分，达到压缩激光脉冲宽度的目的，结构简单、操作方便。对于所述TE CO2激光窄脉冲产生装置，还可在一定范围内通过改变小孔的离焦距离即可方便控制整形后激光脉冲宽度。一般地，随离焦距离的增大，脉宽越窄，整形后的脉冲能量越小。

具体的，所述小孔等离子体开关的孔径略小于激光焦斑尺寸，所述小孔等离子体开关的材质可以为金属、塑胶或木质材质，优选为金属。更具体而言，所述小孔等离子体开关的材质优选为黄铜、铝或不锈钢。

所述的TE CO2激光窄脉冲产生装置，还可进一步包括：TE CO2激光器，作为激光输出源，用于输出所述的长拖尾脉冲CO2激光。所述TE CO2激光器输出的激光波长可为10.6μm、10.3μm、9.6μm或9.3μm，激光介质可为CO2、N2和He的混和气。

所述聚焦透镜和准直透镜可以为双凸透镜或平凸透镜，材质为ZnSe晶体。所述聚焦透镜和准直透镜的焦距可相同，聚焦透镜和准直透镜之间的间距可为所述聚焦透镜的焦距的2倍。

在本公开的一具体实施例中，如图3所示，所述基于小孔等离子体开关的TE CO2激光窄脉冲产生装置包括：聚焦透镜112、小孔等离子体开关113、以及准直透镜114，所述入射激光111经聚焦透镜112聚焦，在小孔等离子体开关113处产生等离子体，其拖尾部分被等离子体吸收，之后经所述准直透镜114准直后输出，得到去除拖尾部分的窄出射光束115。

本实施例中，采用TE CO2激光器作为入射激光光源，采用总气压为35kPa、CO2∶N2∶He为1∶1∶4的混合气体，放电电压27kV的条件。激光波长为10.6μm，激光束直径为2cm，入射光束出光后分别经焦距为25.4cm的两个相同的ZnSe平凸镜聚焦和准直，两透镜的间距恒定为50.8cm。激光束聚焦光斑直径为1.2mm(聚焦光斑直径可由式df＝4λfM²/πD计算；其中，λ是激光波长，f是透镜焦距，D是激光束聚焦前的直径，M²是光束质量因子)，将孔径为1mm(略小于激光焦斑尺寸)，材料为黄铜的小孔等离子体开关置于聚焦透镜焦点处，由于固体材料形成等离子体所需的功率密度比空气中形成等离子体所需的功率密度低2个数量级，聚焦的激光在小孔边缘处形成强烈的等离子体，使得激光脉冲中的长拖尾部分被等离子体吸收，通过小孔的激光脉冲宽度显著变窄。窄脉冲激光通过准直透镜准直后得到要求的整形激光脉冲。其中，原始激光脉冲全宽约为3μs，经小孔等离子体开关整形后激光脉冲大幅变窄，得到50～110ns的窄脉冲CO2激光输出。

在本公开的另一具体实施例中，与前一实施例不同的是，本实施例小孔的材料采用铝或不锈钢，由于这三种材料(黄铜、铝及不锈钢)的CO2激光形成等离子体阈值(8～10MW/cm²)差别不大，因而脉冲波形无明显差别。

本公开采用的小孔等离子体开关制作简单、造价低廉，一旦损坏更换也十分方便，可以满足窄脉冲激光的应用需求。另外，本公开对于小孔等离子开关的整体形状、整体大小均无限制，只要孔径略小于激光焦斑尺寸即可。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。