一种小型化低功耗可调谐脉冲CO2激光器

本发明涉及激光探测，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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；

4、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。

5、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％。

6、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％。

7、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°。

8、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％。

9、优选地，所述闪耀光栅为平面光栅或凹面光栅。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、有益效果：

15、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；

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

技术特征：

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)；

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。

技术总结
本发明公开了一种小型化低功耗可调谐脉冲CO<subgt;2</subgt;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CO<subgt;2</subgt;激光波长调谐，光电探测器检测CO<subgt;2</subgt;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CO<subgt;2</subgt;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。

技术研发人员：潘其坤,陈飞,张阔,于德洋,何洋,孙俊杰,陈毅
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11