基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出的方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于太赫兹(THz)激光器技术领域，具体涉及一种基于气体光声效应来实现稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法及其稳频装置。
【背景技术】
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[0002]太赫兹波是指频率为lOOGHz—lOTHz的电磁辐射(lTHz—1012GHz)，因为太赫兹处于电磁波段中特殊的位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能，如瞬时性、低能性、宽带性、非极性物质极强穿透力等，THz波目前在生物医学领域、国防军事通讯、安检无损检测等都有广泛的应用。近十年的研宄表明它有非常重要的学术和应用价值，使得全世界各国都给予极大的关注，积极开发THz技术及其应用。
[0003]在太赫兹成像、雷达探测、相干通信等许多应用领域中，太赫兹激光器输出功率和输出频率的稳定性一直是影响其应用性能的关键指标。
[0004]光泵太赫兹(THz)辐射源是目前各类太赫兹辐射源中应用较为成熟的一种，其基本原理是用一台中红外激光器的输出激光抽运工作物质，由于工作物质的能级跃迀频率处于太赫兹波段范围，因而可以形成太赫兹波受激辐射。通过选择合适的工作物质、寻找新的能级跃迀谱线，即可基本覆盖整个太赫兹波段。然而，光泵太赫兹辐射源也存在输出功率和频率稳定性较差的问题，致使其应用性能受到影响。为了实现气体太赫兹输出功率和频率的高稳定性，首先就要确保泵浦源的输出频率稳定在气体太赫兹源气体工作介质的吸收峰处。目前，稳定泵浦源输出频率的方法有多种，包括兰姆凹陷稳频法、相位调制光外差稳频法、光声稳频法等。其中，所述兰姆凹陷稳频法，是利用非均匀加宽线性增益曲线的烧孔效应，以增益曲线中心频率作为参考标准频率实现稳频的；这种方法的稳频装置虽然比较简单，但在应用中存在一定的局限，频率复现性较差。所述相位调制光外差稳频法，是利用光学谐振腔的共振频率作为参考频率，但是其结构复杂，且法布里-珀罗(F-P)腔具很容易受外部影响；因而其应用也受到限制。所述光声稳频是基于气体的光声效应，使泵浦源工作在光声样品气体的最大吸收峰处，传统的光声探测是使用一个独立的光声密闭腔来进行探测的，其光声密闭腔内气体吸收光能后发生无辐射跃迀，致使吸收介质的温度升高，从而导致光声密闭腔内气压发生变化，进而产生声振动；当泵浦光存在频率漂移时，产生声振动的声压信号会发生变化，通过检测声压信号的变化即可对泵浦光的频率稳定性及其频率漂移等进行探测，并通过反馈控制激光器的腔长，即可稳定泵浦激光器输出功率和频率。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种基于光声效应来实现稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法，以及提供一种实现该方法的稳频装置。该方法和装置能够显著稳定气体THz激光器的泵浦源的输出功率和频率，并指示泵浦激光频率与THz激光器谐振腔内工作气体的吸收峰位置是否处于最佳匹配，以实现光泵气体THz激光器输出功率和输出频率的稳定。进而使光泵气体THz激光器输出功率和输出频率具有更高的稳频精度、更快的响应速度，而且更适用于光泵气体THz激光系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。
[0007]本发明设计的基本思路是:提出通过在光泵气体THz激光器的基础上添加一光声探测装置的方法；用添加的光声探测装置探测其工作气体吸收泵浦激光所产生的光声信号，进而根据光声信号的变化情况；利用反馈控制系统控制泵浦激光器和THz激光器腔内的压电陶瓷(PZT)，以调节泵浦激光器和THz谐振腔的腔长，从而实现泵浦激光器输出激光的稳定，使泵浦激光频率与THz激光器工作气体的吸收峰位置处于最佳匹配状态；进而提高泵浦效率，并获得高稳定的THz激光输出功率和输出频率。本发明还提供一种实现上述方法的稳频装置，该稳频装置主要是在THz激光器基础上添加光声探测装置，将传统光声腔与THz谐振腔合二为一，不仅简化了实验装置，且稳频效果好。
[0008]本发明提出的基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出的方法，包括以下步骤:
[0009](I)在光泵气体THz激光器基础上添加一光声探测装置；
[0010](2)采用所添加的光声探测装置探测光泵气体THz激光器工作气体吸收泵浦激光产生的光声信号及其变化，并找出光声信号的峰值；
[0011](3)根据探测到的光声信号，利用反馈控制系统来控制泵浦激光器谐振腔内的第二压电陶瓷和THz谐振腔内的第一压电陶瓷；即能实现对泵浦激光器谐振腔和THz激光器谐振腔腔长的调节；
[0012](4)通过泵浦激光器谐振腔和THz谐振腔腔长的变化，即能实现泵浦激光器输出功率和频率的稳定，进而实现光泵气体THz激光器输出功率和输出频率的稳定。
[0013]上述方案中，所述光声探测装置采用光声感应功能材料或微音器进行光声信号探测，所述微音器包括硅微电容式微音器、或硅微压电式微音器、或悬臂式微音器，或超声波压电陶瓷微音器进行光声信号探测。
[0014]上述方案中，所述的光声信号的峰值应与泵浦激光谱线中心频率处具有对应关系，即光声信号峰值对应泵浦激光谱线中心频率处，根据此对应关系来实时反馈调节泵浦激光器的腔长，从而使泵浦激光器的输出激光锁定在固定的谱线上，并保持其输出频率和功率的长期稳定。
[0015]上述方案中，所述泵浦激光器输出激光的频率与THz激光器工作气体吸收谱线中心重合，并始终保持最佳匹配，从而使THz激光器输出激光保持其稳定性。
[0016]上述方案中，所述泵浦激光器采用Z型折叠腔的射频激励板条波导CO2激光器，其激光器工作电源采用射频电源。
[0017]本发明提供一种实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法的稳频装置，包括泵浦激光器、红外探测器，THz谐振腔、THz功率计、分束器、光声探测装置、激光器电源、由锁相放大器、第一 PZT驱动器、第二 PZT驱动器和计算机构成的反馈控制系统；其中，所述THz谐振腔包括ZnSe窗口，第一 PZT，凹面镀金全反镜，THz激光输出镜，抽充气接口 ；所述泵浦激光器谐振腔包括光栅，第一全反镜和第二全反镜，第二 PZT，输出镜；
[0018]所述泵浦激光器输出的激光通过分束器分为两路，一路垂直入射到红外探测器，另一路则进入THz谐振腔中；THz谐振腔中光声探测装置的信号线与反馈控制系统中锁相放大器的信号通道连接；锁相放大器的信号输出端通过信号线与计算机连接；计算机还分别连接第一 PZT驱动器和第二 PZT驱动器用以分别控制第一 PZT和第二 PZT。
[0019]上述方案中，所述的泵浦激光器采用Z型折叠腔的射频激励板条波导0)2激光器，通过驱动其谐振腔中第二压电陶瓷改变其腔长，并通过所述谐振腔中的光栅选支。
[0020]上述方案中，所述的THz谐振腔采用平-凹谐振腔，泵浦激光输入采用小孔耦合输入方式，即采用一个中间有小孔的凹面镀金全反镜，其背面放置第一压电陶瓷。
[0021]上述方案中，所述光声探测装置采用光声感应功能材料或微音器进行光声信号探测，所述微音器包括硅微电容式微音器、或硅微压电式微音器、或悬臂式微音器，或超声波压电陶瓷微音器进行光声信号探测。
[0022]上述方案中，所述THz激光输出镜采用对CO2激光高反且对THz激光部分透过的平面镜。
[0023]上述方案中，所述光声探测装置采用硅微电容式微音器；并将其置于THz谐振腔的中间位置，用于探测THz谐振腔内的声信号；并使硅微电容式微音器(23)开口与THz谐振腔(3)管壁平齐，以提高光声信号的探测效果。
[0024]本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下:
[0025]1、本发明采用在光泵气体THz激光器基础上添加一光声探测装置的方法；使用该方法可以将THz激光器的输出激光锁定在固定的谱线上，并保持其输出功率和输出频率的长期稳定。
[0026]2、使用本发明所述的方法，通过更换不同的工作气体、转动泵浦CO2激光器谐振腔内所用光栅角度选择不同支线，可以实现泵浦CO2激光器不同支线的高稳定性输出，从而获得不同功率和频率的THz激光稳定输出。
[0027]3、本发明的提供的稳频装置，在THz激光器基础上添加光声探测装置，将传统光声腔与THz谐振腔合二为一，不仅简化了实验装置，相比于传统的独立光声腔而言，光声探测的反应更加灵敏、精度更高；而且，光声信号不仅可以显示出CO2激光器的输出变化情况，也可以指示CO2激光频率与THz激光器工作气体的吸收峰中心频率是否处于最佳匹配状
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[0028]4、本发明提供的稳频装置，利用放置在THz谐振腔中间位置的光声探测装置硅微电容式微音器来采集工作气体吸收泵浦激光能量后在腔内产生的声信号；并通过检测光声信号的变化来实时分析获得泵浦激光功率和频率的变化规律。在探测泵浦激光稳定性的同时，也可以指示出THz激光器是否处于最佳匹配状态，因此，这种结构的优化更加符合光泵气体THz激光系统对于光声检测的要求。
【附图说明】
[0029]图1是本发明实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光输出方法的稳频装置的结构示意框图；
[0030]图2是图1中THz激光器的谐振腔结构示意图；
[0031]图3是图1中泵浦激光器的结构示意图。
[0032]图中:1泵浦激光器，2红外探测器，3ΤΗζ谐振腔，4ΤΗζ功率计，5分束器，6光声探测装置，7激光器电源，8锁相放大器，9第一 PZT驱动器，10第二 PZT驱动器，11计算机，12ZnSe窗口，13第一 PZT，14凹面镀金全反镜，15ΤΗζ激光输出镜，16抽充气接口，17光栅，18第一全反镜，19第二 ΡΖΤ，20输出镜，21第二全反镜，22反馈控制系统，23微音器。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。
[0034]本发明基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出方法，采用在光泵气体THz激光器的基础上添加一光声探测装置6 ;采用添加的光声探测装置6探测光泵气体THz谐振腔3内工作气体吸收泵浦激光产生的光声信号及其变化；根据探测获取的光声信号的变化情况，利用反馈控制系统22分别控制泵浦激光器I谐振腔内和THz谐振腔3内的第二压电陶瓷10和第一压电陶瓷9 ;以调节泵浦激光器I的谐振腔和THz谐振腔3的腔长，即能实现泵浦激光器输出功率和输出频率的稳定性，进而实现光泵气体THz激光器输出功率和输出频率的稳定。
[0035]本发明实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出方法的稳频装置，包括泵浦激光器1、红外探测器2、ΤΗζ谐振腔3、ΤΗζ功率计4、分束器5、光声探测装置6、激光器电源7、