一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，該裝置采用穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)，沿激光的輸出方向依次設(shè)置有平凹反射鏡、布儒斯特片、增益介質(zhì)、布儒斯特片、光闌、平面衍射光柵。在平面衍射光柵的一級(jí)衍射光路上依次設(shè)置有離軸拋物面反射鏡、快門系統(tǒng)、平面反射鏡。本發(fā)明激光裝置使用固定衍射光柵，利用衍射光柵對(duì)不同波長(zhǎng)激光的衍射角不同，通過快門系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)支線的控制選擇，實(shí)現(xiàn)氣流化學(xué)激光的選線輸出，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、優(yōu)良的光束質(zhì)量、穩(wěn)定性高、可實(shí)現(xiàn)激光的快速選線輸出等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于激光材料加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化學(xué)激光器件領(lǐng)域，具體涉及一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線 穩(wěn)定諧振腔。 一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔

【背景技術(shù)】
[0002] 氣流化學(xué)激光器工作在1?12 μ m的寬紅外譜范圍，具有高功率、高效率、較好的 大氣傳輸窗口等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光物理、激光醫(yī)療、激光對(duì)抗等領(lǐng)域。目前，絕大多數(shù)氣 流化學(xué)激光器如HF/DF激光器、HBr激光器、C0 2激光器等均是多譜線輸出，而在實(shí)際工作中 往往要求激光器以某些特定波長(zhǎng)單譜線運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情況下選線激光器變得十分重要。
[0003] 目前實(shí)現(xiàn)氣流化學(xué)激光選線輸出的方法主要有：調(diào)節(jié)混合氣流參數(shù)選線，腔鏡鍍 膜(腔內(nèi)濾光片)選線，光柵選線等。調(diào)節(jié)激光器工作氣體如氣體配比、氣流大小等參數(shù)可以 使得輸出激光的波長(zhǎng)向目標(biāo)波長(zhǎng)移動(dòng)，提高目標(biāo)波長(zhǎng)激光的輸出功率，但這種方法無法對(duì) 其它波長(zhǎng)譜線的振蕩起到完全抑制的效果，無法實(shí)現(xiàn)激光器單譜線輸出。使用腔鏡鍍膜或 腔內(nèi)放置濾光片的方法原則上可以實(shí)現(xiàn)單線激光輸出，但在中遠(yuǎn)紅外范圍，加工這種分辨 精度要求較高的腔鏡或?yàn)V光片十分困難，因此限制了這種方法的應(yīng)用。衍射光柵具有極高 的分辨本領(lǐng)，將其作為諧振腔的組成部分，利用不同譜線衍射角度的不同可以實(shí)現(xiàn)所需譜 線的單線輸出。目前實(shí)現(xiàn)光柵選線輸出的方法主要有旋轉(zhuǎn)光柵和掃描光柵兩種，這兩種方 法由于安裝光柵和掃描元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在重復(fù)定位精度問題，并且某些特定場(chǎng)合要求不 同波長(zhǎng)的譜線快速選線輸出，這使得采用這種方法實(shí)現(xiàn)選線輸出的激光器的穩(wěn)定性無法得 到保證。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn) 定諧振腔。該裝置可以在諧振腔內(nèi)的光學(xué)元件無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的前提下，實(shí)現(xiàn)激光器的選線輸 出，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，具體技術(shù)解決方案是：
[0006] -種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，包括平凹反射鏡、平面反射 鏡，所述平凹反射鏡和平面反射鏡組成諧振腔，在所述諧振腔內(nèi)設(shè)置有增益介質(zhì)區(qū)和腔內(nèi) 光學(xué)元件；其特征在于：所述腔內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I、布儒斯特片II、光闌、平面衍 射光柵；離軸拋物面反射鏡和快門系統(tǒng)組成；所述布儒斯特片I設(shè)置在所述平凹反射鏡和 增益介質(zhì)區(qū)之間；鄰近增益介質(zhì)區(qū)的另一側(cè)依次設(shè)置布儒斯特片II、光闌、平面衍射光柵； 在所述平面衍射光柵的一級(jí)衍射光路上依次設(shè)置離軸拋物面反射鏡、快門系統(tǒng)和平面反射 鏡；
[0007] 或
[0008] 所述腔內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I、布儒斯特片II、平凸反射鏡、平面衍射光柵和 快門系統(tǒng)組成；所述布儒斯特片I設(shè)置在所述平凹反射鏡和增益介質(zhì)區(qū)之間；鄰近增益介 質(zhì)區(qū)的另一側(cè)依次設(shè)置布儒斯特片II、平凸反射鏡、平面衍射光柵；在所述平面衍射光柵的 一級(jí)衍射光路上依次設(shè)置快門系統(tǒng)和平面反射鏡；其中，所述平凸反射鏡內(nèi)設(shè)有圓臺(tái)型通 孔，所述圓臺(tái)型通孔中心與光軸中心相對(duì)。
[0009] 本發(fā)明激光裝置的工作過程如下：所述的平凹反射鏡、布儒斯特片I與所述的布 儒斯特片II、光闌、平面衍射光柵、離軸拋物面反射鏡、快門系統(tǒng)、平面反射鏡分別設(shè)置在兩 個(gè)真空室內(nèi)，這兩個(gè)真空室分別與激光器的增益介質(zhì)區(qū)相連接。激光器內(nèi)的反應(yīng)介質(zhì)發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)后在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生受激輻射，由于受激輻射所產(chǎn)生光的波長(zhǎng)不同，經(jīng)過閃耀光柵 一級(jí)衍射后分別以不同的衍射角度射出，經(jīng)過離軸拋物線反射鏡變?yōu)楸舜似叫械妮椛涔狻?這些輻射光通過快門系統(tǒng)，經(jīng)平面反射鏡反射原路返回到諧振腔內(nèi)，進(jìn)行振蕩放大，形成穩(wěn) 定的振蕩光。通過控制快門系統(tǒng)中電子快門的開關(guān)，即可對(duì)所需譜線的振蕩進(jìn)行控制，最終 激光由閃耀光柵零級(jí)耦合輸出。
[0010] 所述的布儒斯特片I和II為A1203材料，其尺寸為80 X 50 X 3mm3。所述的布儒斯特 片I和布儒斯特片II所在的平面分別與光軸形成的夾角為60. 5°。
[0011] 所述的平面衍射光柵為針對(duì)于HF激光器的光柵刻線數(shù)為300線/_原刻閃耀光 柵，其面積為50 X 50mm2,閃耀波長(zhǎng)為2. 8 μ m，一級(jí)衍射效率為91%，其基底為銅基底。
[0012] 所述的光闌為圓臺(tái)形光闌，光闌內(nèi)表面拋光，外表面做噴砂處理，材料為304不銹 鋼，其水平、堅(jiān)直位置手動(dòng)可調(diào)。
[0013] 所述的快門系統(tǒng)由電子快門和快門控制器組成，快門控制器的觸發(fā)信號(hào)由計(jì)算機(jī) 給出。
[0014] 本發(fā)明激光裝置通過控制快門系統(tǒng)中電子快門的開關(guān)，對(duì)激光器諧振腔內(nèi)的振蕩 光進(jìn)行選擇性控制，可以獲得穩(wěn)定的化學(xué)激光的選線輸出。其中，快門系統(tǒng)購于西格瑪光機(jī) 的SSH-C4B型快門系統(tǒng)。
[0015] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、激光器采用光柵選線的方法，能夠非常有效地將相鄰波長(zhǎng)(幾 nm至幾十nm)的 譜線區(qū)分開來，通過抑制其它波長(zhǎng)譜線的振蕩來實(shí)現(xiàn)激光器的選線輸出。
[0017] 2、激光器諧振腔內(nèi)沒有使用機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置，避免了旋轉(zhuǎn)或掃描光柵實(shí)現(xiàn)激光選線 輸出所存在的重復(fù)定位精度的問題，可以得到較為穩(wěn)定的激光輸出。
[0018] 3、利用電子快門的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波長(zhǎng)激光的選擇輸出，并未對(duì)腔內(nèi)其它光學(xué)兀 件產(chǎn)生影響，其控制方法簡(jiǎn)單，譜線切換快捷。
[0019] 4、選擇閃耀光柵的零級(jí)衍射作為激光器的耦合輸出，可以有效降低諧振腔內(nèi)的光 學(xué)損耗，尤其對(duì)于增益較弱的譜線，這種輸出方式非常有效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明附圖3幅，
[0021] 圖1為本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的裝置示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的一種變化結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0024] 其中，1、平凹反射鏡，2、布儒斯特片I，3、增益介質(zhì)區(qū)，4、布儒斯特片11，5、光闌， 6、平面衍射光柵，7、離軸拋物面反射鏡，8、快門系統(tǒng)，9、平面反射鏡，10、燃燒室，11、噴管， 12、增益介質(zhì)工作區(qū)，13、擴(kuò)壓真空裝置，14、CaF2窗口鏡，15、左真空室，16、左氣簾，17、右氣 簾，18、右真空室，19、CaF 2窗口鏡，20、平凸反射鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 如附圖1所示，本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的光學(xué)結(jié)構(gòu) 包括：包括平凹反射鏡1、平面反射鏡9,所述平凹反射鏡1和平面反射鏡9組成諧振腔，在 所述諧振腔內(nèi)設(shè)置有增益介質(zhì)區(qū)3和腔內(nèi)光學(xué)元件；所述腔內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I 2、 布儒斯特片II 4、光闌5、平面衍射光柵6 ;離軸拋物面反射鏡7和快門系統(tǒng)8組成；所述布 儒斯特片I 2設(shè)置在所述平凹反射鏡1和增益介質(zhì)區(qū)3之間；鄰近增益介質(zhì)區(qū)的另一側(cè)依 次設(shè)置布儒斯特片II 4、光闌5、平面衍射光柵6 ;在所述平面衍射光柵6的一級(jí)衍射光路上 依次設(shè)置離軸拋物面反射鏡7、快門系統(tǒng)8和平面反射鏡9。
[0026] 如附圖2所示，本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的裝置結(jié)構(gòu) 包括：在增益介質(zhì)區(qū)3沿氣體流動(dòng)方向依次設(shè)置有燃燒室10、噴管11、增益介質(zhì)工作區(qū)12 和擴(kuò)壓真空裝置13。垂直氣體流動(dòng)方向由左至右依次設(shè)置有：CaF 2窗口鏡14、左真空室15、 左氣簾16、右氣簾17、右真空室18以及CaF2窗口鏡19。平凹反射鏡1、布儒斯特片I 2放 置在增益介質(zhì)區(qū)3的左真空室15內(nèi)，布儒斯特片II 4、光闌5、平面衍射光柵6、離軸拋物面 反射鏡7、快門系統(tǒng)8、平面反射鏡9放置在增益介質(zhì)區(qū)3的右真空室18內(nèi)。左真空室15 上的CaF 2窗口鏡14及右真空室18上的CaF2窗口鏡19通過光軸中心。
[0027] 化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)在超音速噴管出口處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生受激 輻射。增益介質(zhì)工作區(qū)12內(nèi)的輻射光經(jīng)過右真空室內(nèi)的布儒斯特片II 4后變?yōu)榫€偏振光， 經(jīng)圓臺(tái)形光闌5后入射到閃耀光柵6上，對(duì)于光柵方程<si_+sin^ = ?d (其中，θ分別 是入射角和衍射角，d為刻線間距離且本發(fā)明中d為l/300mm，m為衍射級(jí)次)，以同一入射角 入射的不同波長(zhǎng)的光，其一級(jí)衍射角不同，在輻射光一級(jí)衍射的出射位置放置90°離軸拋 物線反射鏡7,使光柵衍射出的不同角度的輻射光變?yōu)楸舜似叫械墓馐@些光束通過電子 快門后，經(jīng)平面反射鏡9反射，經(jīng)光柵的一級(jí)衍射原路返回到增益介質(zhì)工作區(qū)12內(nèi)，通過左 真空室內(nèi)的布儒斯特片I 2,經(jīng)平凹反射鏡1發(fā)射后重新回到增益介質(zhì)工作區(qū)內(nèi)，完成一次 振蕩。通過計(jì)算機(jī)給出的信號(hào)控制電子快門控制器來實(shí)現(xiàn)電子快門的開關(guān)，從而對(duì)所需波 長(zhǎng)的譜線進(jìn)行選擇。被選擇波長(zhǎng)的輻射光在平凹反射鏡1和平面反射鏡9之間振蕩放大， 并從閃耀光柵6的零級(jí)衍射耦合輸出。通過調(diào)節(jié)電子快門的開關(guān)速度，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng) 激光的快速切換輸出。
[0028] 圖3為本發(fā)明適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔的一種變化結(jié)構(gòu)示 意圖。這種裝置主要針對(duì)有兩種不同波長(zhǎng)激光選線輸出的情況，如圖3所示其包括：所述腔 內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I 2、布儒斯特片II 4、平凸反射鏡20、平面衍射光柵6和快門系統(tǒng) 8組成；所述布儒斯特片I 2設(shè)置在所述平凹反射鏡1和增益介質(zhì)區(qū)3之間；鄰近增益介質(zhì) 區(qū)3的另一側(cè)依次設(shè)置布儒斯特片II 4、平凸反射鏡20、平面衍射光柵6 ;在所述平面衍射 光柵6的兩條一級(jí)衍射光路上，一條設(shè)置快門系統(tǒng)81和平面反射鏡91，另一條設(shè)置快門系 統(tǒng)82和平面反射鏡92 ;其中，所述平凸反射鏡20內(nèi)設(shè)有圓臺(tái)型通孔，所述圓臺(tái)型通孔中心 與光軸a中心相對(duì)。腔內(nèi)不同波長(zhǎng)的兩路輻射光經(jīng)平面衍射光柵6 -級(jí)衍射后入射到平凸 反射鏡20的凸反射面上，經(jīng)反射后的兩路出射光分別通過快門系統(tǒng)81和82,經(jīng)平面反射鏡 91和92反射原路返回腔內(nèi)，通過控制電子快門的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)兩束不同波長(zhǎng)的激光切換 輸出。
[0029] 本發(fā)明可以在諧振腔內(nèi)光學(xué)元件無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的條件下實(shí)現(xiàn)氣流化學(xué)激光的選線 輸出，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。本發(fā)明可以應(yīng)用于HF/DF激光器、HBr 激光器、C02激光器等系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1. 一種適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，包括平凹反射鏡（1)、平面反 射鏡（9)，所述平凹反射鏡（1)和平面反射鏡（9)組成諧振腔，在所述諧振腔內(nèi)設(shè)置有增益 介質(zhì)區(qū)（3)和腔內(nèi)光學(xué)元件；其特征在于：所述腔內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I (2)、布儒斯 特片II (4)、光闌（5)、平面衍射光柵（6)、離軸拋物面反射鏡（7)和快門系統(tǒng)（8)組成；所述 布儒斯特片I (2)設(shè)置在所述平凹反射鏡（1)和增益介質(zhì)區(qū)（3)之間；鄰近增益介質(zhì)區(qū)（3) 的另一側(cè)依次設(shè)置布儒斯特片II (4)、光闌（5)、平面衍射光柵（6);在所述平面衍射光柵 (6)的一級(jí)衍射光路上依次設(shè)置離軸拋物面反射鏡（7)、快門系統(tǒng)（8)和平面反射鏡（9); 或 所述腔內(nèi)光學(xué)元件由布儒斯特片I (2)、布儒斯特片II (4)、平凸反射鏡（20)、平面衍 射光柵（6)和快門系統(tǒng)（8)組成；所述布儒斯特片I (2)設(shè)置在所述平凹反射鏡（1)和增 益介質(zhì)區(qū)（3)之間；鄰近增益介質(zhì)區(qū)（3)的另一側(cè)依次設(shè)置布儒斯特片II (4)、平凸反射鏡 (20)、平面衍射光柵（6);在所述平面衍射光柵（6)的一級(jí)衍射光路上依次設(shè)置快門系統(tǒng) (8)和平面反射鏡（9);其中，所述平凸反射鏡（20)內(nèi)設(shè)有圓臺(tái)型通孔，所述圓臺(tái)型通孔中 心與光軸（a)中心相對(duì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，其特征在 于：所述的布儒斯特片I (2)和布儒斯特片II (4)所在的平面分別與光軸（a)形成的夾角、 且鄰近增益介質(zhì)區(qū)（3)的兩夾角相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，其特征在 于：增益介質(zhì)（3)為HF氣體、DF氣體、HBr氣體、或C0 2氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，其特征在 于：所述的光闌（5)為圓臺(tái)形光闌，光闌內(nèi)表面拋光，外表面做噴砂處理，材料為304不銹 鋼，其水平、堅(jiān)直位置可調(diào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，其特征在 于：平面衍射光柵（6)為金屬基底原刻閃耀光柵，激光由平面衍射光柵（6)的零級(jí)衍射耦合 輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于氣流化學(xué)激光器的可變選線穩(wěn)定諧振腔，其特征在 于：快門系統(tǒng)（8)由電子快門和快門控制器組成，快門控制器的觸發(fā)信號(hào)由計(jì)算機(jī)給出。
【文檔編號(hào)】H01S3/10GK104064948SQ201310093443
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月22日
【發(fā)明者】王元虎, 多麗萍, 唐書凱, 于海軍, 汪健, 曹靖, 康元福, 金玉奇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所