本發(fā)明涉及激光快調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，涉及一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器。

背景技術(shù)：

快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器在大氣透射窗口9μm～11μm范圍內(nèi)擁有百余條譜線，對(duì)應(yīng)了多種氣體的吸收峰，是激光差分吸收雷達(dá)的理想光源。激光差分吸收雷達(dá)工作原理是向待測(cè)區(qū)域發(fā)射兩束波長(zhǎng)不同的激光，一束是與待測(cè)氣體吸收峰重合的測(cè)量光束，另一束是與待測(cè)氣體吸收峰偏離的參考光束。為了排除大氣抖動(dòng)引起的測(cè)量誤差，要求在大氣“凍結(jié)”時(shí)間(1ms)內(nèi)同向發(fā)射兩束不同波長(zhǎng)的激光用于高精度氣體差分探測(cè)。因此，快調(diào)諧脈沖CO₂激光器作為遠(yuǎn)紅外激光差分吸收雷達(dá)的光源而備受關(guān)注。如專利公開(kāi)號(hào)為“ZL200810051433.4”的“一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的編碼輸出聲光調(diào)Q脈沖CO₂激光器”，它采用光柵作為波長(zhǎng)調(diào)諧器件，采用聲光調(diào)制器作為調(diào)Q器件，實(shí)現(xiàn)了9μm～11μm范圍數(shù)十條激光譜線的可調(diào)諧脈沖輸出，但其波長(zhǎng)調(diào)諧靠手動(dòng)旋轉(zhuǎn)光柵面完成，調(diào)諧速度慢。專利公開(kāi)號(hào)為“CN 101071929A”的“光柵選支快速調(diào)諧激光諧振腔”，該專利提出采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，它雖可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)快速調(diào)諧，但由于在波長(zhǎng)調(diào)諧過(guò)程中采用運(yùn)動(dòng)部件(電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn))，因而在波長(zhǎng)調(diào)諧的穩(wěn)定性和重復(fù)性方面具有難以克服的缺點(diǎn)，且機(jī)械定位精度難以控制。

因此，如何提供一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的快速切換，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的快速切換。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，其包括：

光柵組件，所述光柵組件包括第一金屬原刻光柵和第二金屬原刻光柵；

聲光偏轉(zhuǎn)器，所述聲光偏轉(zhuǎn)器的光軸與所述第一金屬原刻光柵的法線呈自準(zhǔn)直角設(shè)置，所述第二金屬原刻光柵的法線與所述聲光偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)后的光軸呈自準(zhǔn)直角設(shè)置；

聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源，控制所述聲光偏轉(zhuǎn)器的啟停；

CO₂激光增益區(qū)裝置；

激光輸出鏡，所述激光輸出鏡的光軸、所述聲光偏轉(zhuǎn)器的輸入端的光軸以及所述CO₂激光增益區(qū)裝置的光軸共線，所述聲光偏轉(zhuǎn)器位于所述光柵組件與所述CO₂激光增益區(qū)裝置之間。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器的聲光調(diào)制器位于所述聲光偏轉(zhuǎn)器與所述CO₂激光增益區(qū)裝置之間；

聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源，控制所述聲光調(diào)制器啟停。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，還包括與所述聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源和所述聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源均信號(hào)連接的信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)所述聲光偏轉(zhuǎn)器的光路切換過(guò)程中所述聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源打開(kāi)。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，還包括在所述聲光調(diào)制器與CO₂激光增益區(qū)裝置之間依次布置且光軸均與所述激光輸出鏡的光軸重合的光束耦合單元和選模光闌。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述光束耦合單元包括至少兩個(gè)光軸重合的透鏡。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述CO₂激光增益裝置的兩端由硒化鋅的布儒斯特窗封裝。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述激光輸出鏡為半透半反鍍膜的硒化鋅凹透鏡。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述第一金屬原刻光柵和所述第二金屬原刻光柵的工作面均可旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述第一金屬原刻光柵安裝在第一高精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述第二金屬原刻光柵安裝在第二高精密轉(zhuǎn)臺(tái)上。

優(yōu)選地，上述的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器中，所述聲光偏轉(zhuǎn)器包括石英材料的超聲發(fā)生器和鍺材料的聲光晶體。

經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明公開(kāi)了一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，包括光柵組件、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源、激光增益區(qū)裝置和激光輸出鏡。采用上述結(jié)構(gòu)，為了選取不同兩種波長(zhǎng)，增加了用于控制聲光偏轉(zhuǎn)器啟停的聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源不工作時(shí)，屬于一種波長(zhǎng)，而當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源工作時(shí)，使聲光偏轉(zhuǎn)器工作后，則屬于另一種波長(zhǎng)，即實(shí)現(xiàn)兩種波長(zhǎng)的切換。通過(guò)上述描述過(guò)程可知，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的方式僅在于聲光偏轉(zhuǎn)器的啟停，因此，調(diào)諧速度快，重復(fù)切換穩(wěn)定性高，調(diào)諧范圍寬，脈沖重復(fù)頻率可調(diào)，易于操作，方便維護(hù)等。而且在切換波長(zhǎng)時(shí)，可僅使聲光偏轉(zhuǎn)器工作，不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)，避免了機(jī)械定位精度難以控制的問(wèn)題，提高了波長(zhǎng)調(diào)諧的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的快速切換。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器，包括光柵組件、聲光偏轉(zhuǎn)器5、聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7、CO₂激光增益區(qū)裝置12和激光輸出鏡14。其中，光柵組件包括第一金屬原刻光柵1和第二金屬原刻光柵3，并且這兩個(gè)光柵的工作面均可旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)光柵的波長(zhǎng)和角度。對(duì)于第一金屬原刻光柵1的法線與聲光偏轉(zhuǎn)器5的光軸呈自準(zhǔn)直角設(shè)置，而第二金屬原刻光柵3的法線與聲光偏轉(zhuǎn)器5轉(zhuǎn)后的光軸呈自準(zhǔn)直角設(shè)置。當(dāng)需要切換波長(zhǎng)時(shí)只需要啟動(dòng)聲光偏轉(zhuǎn)器5即可。對(duì)于第一金屬原刻光柵1和第二金屬原刻光柵3兩者的工作面的位置需要在選定好波長(zhǎng)后確定后。

為了選取不同兩種波長(zhǎng)，設(shè)置了用于控制聲光偏轉(zhuǎn)器5啟停的聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7。當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7不工作時(shí)，屬于一種波長(zhǎng)，而當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7工作時(shí)，使聲光偏轉(zhuǎn)器5工作后，則屬于另一種波長(zhǎng)，即實(shí)現(xiàn)兩種波長(zhǎng)的切換。通過(guò)上述描述過(guò)程可知，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的方式僅在于聲光偏轉(zhuǎn)器5的啟停，因此，調(diào)諧速度快，重復(fù)切換穩(wěn)定性高。

激光輸出鏡14的光軸、CO₂激光增益區(qū)裝置12的光軸與聲光偏轉(zhuǎn)器5的輸入端的光軸共線，聲光偏轉(zhuǎn)器5位于光柵組件與激光輸出鏡14之間。第一金屬原刻光柵1和第二金屬原刻光柵3分別與激光輸出鏡14組成諧振腔。聲光偏轉(zhuǎn)器5的輸入端靠近光柵組件的一端。

采用上述結(jié)構(gòu)，由于增加了聲光偏轉(zhuǎn)器5，具有選定波長(zhǎng)調(diào)諧速度快，重復(fù)切換穩(wěn)定性高，調(diào)諧范圍寬，易于操作，方便維護(hù)等。而且在切換波長(zhǎng)時(shí)，可僅使聲光偏轉(zhuǎn)器5工作，不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)，避免了機(jī)械定位精度難以控制的問(wèn)題，提高了波長(zhǎng)調(diào)諧的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

具體的實(shí)施例中，該快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器具有聲光調(diào)制器6和聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8。其中，聲光調(diào)制器6位于聲光偏轉(zhuǎn)器5與激光輸出鏡14之間，而聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8控制聲光調(diào)制器6的啟停。在實(shí)際操作過(guò)程中，為了避免出現(xiàn)激光光譜“鬼線”的問(wèn)題，在聲光偏轉(zhuǎn)器5的光路偏轉(zhuǎn)掃描過(guò)程中需要切斷激光的輸出，因此，此時(shí)聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8打開(kāi)，使聲光調(diào)制器6處于聲光衍射狀態(tài)，即光路關(guān)斷，此時(shí)諧振腔內(nèi)無(wú)激光諧振，避免了“鬼線”的出現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，本申請(qǐng)中公開(kāi)的快速調(diào)諧脈沖CO₂激光器還包括信號(hào)發(fā)生器9，該信號(hào)發(fā)生器9與聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7和聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8均信號(hào)連接，并且當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器5的光路切換過(guò)程中聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8打開(kāi)。

在信號(hào)發(fā)生器9控制下，聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7關(guān)閉，聲光偏轉(zhuǎn)器5不工作，此時(shí)第一金屬原刻光柵1與激光輸出鏡14組成諧振腔，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第一高精密轉(zhuǎn)臺(tái)2實(shí)現(xiàn)第一激光波長(zhǎng)諧振輸出；其次，在信號(hào)發(fā)生器9控制下，聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7打開(kāi)，聲光偏轉(zhuǎn)器5開(kāi)始工作，光路偏轉(zhuǎn)，此時(shí)第二金屬原刻光柵3與激光輸出鏡14組成諧振腔，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二高精密轉(zhuǎn)臺(tái)4實(shí)現(xiàn)第二激光波長(zhǎng)諧振輸出。聲光調(diào)制器6在信號(hào)發(fā)生器9和聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源8控制下工作，完成CO₂激光調(diào)Q過(guò)程，實(shí)現(xiàn)激光脈沖輸出。信號(hào)發(fā)生器9通過(guò)時(shí)序編程控制，確保在聲光偏轉(zhuǎn)器5光路切換過(guò)程中，聲光調(diào)制器6處于聲光衍射狀態(tài)(光路關(guān)斷)，此時(shí)諧振腔內(nèi)無(wú)激光諧振，從而消除了聲光偏轉(zhuǎn)器5在光路偏轉(zhuǎn)掃描過(guò)程中出現(xiàn)激光光譜“鬼線”的可能。聲光偏轉(zhuǎn)器5工作頻率可達(dá)1kHz，即在1ms時(shí)間內(nèi)，可完成一次光路偏折切換，因此在信號(hào)發(fā)生器9的控制下，快調(diào)諧脈沖CO₂激光器選定波長(zhǎng)間的切換時(shí)間可短至1ms。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，在聲光調(diào)制器6和激光輸出鏡14之間依次設(shè)置有光束耦合單元10和選模光闌11，并且光束耦合單元10和選模光闌11兩者的光軸與激光輸出鏡14的光軸均重合。

其中，光束耦合單元10包括至少兩個(gè)光軸重合的透鏡，采用“望遠(yuǎn)鏡”結(jié)構(gòu)布置，其功能為一側(cè)匹配CO₂激光增益區(qū)裝置12孔徑和另一側(cè)匹配聲光調(diào)制器6的孔徑，光束耦合單元10在靠近CO₂激光增益區(qū)裝置12有較大光束直徑即透鏡面積較大以便于激光增益提取，在靠近聲光調(diào)制器6的光束直徑較小即透鏡面積較小以便于壓縮光束在聲光調(diào)制器6內(nèi)的渡越時(shí)間。上述的選模光闌11為小孔光闌，其功能為限制激光高階模振蕩，提升激光光束質(zhì)量。所述的CO₂激光增益區(qū)裝置12兩端由硒化鋅材料的布儒斯特窗13封裝，滿足聲光調(diào)制器6和聲光偏轉(zhuǎn)器5對(duì)入射激光偏轉(zhuǎn)特性的要求，實(shí)現(xiàn)激光線偏振輸出。

激光輸出鏡14采用半透半反鍍膜的硒化鋅凹透鏡。第一金屬原刻光柵1和第二金屬原刻光柵3均為自準(zhǔn)直光柵，并且第一金屬原刻光柵1固定在第一高精密轉(zhuǎn)臺(tái)2上，第二金屬原刻光柵3固定在第二高精密轉(zhuǎn)臺(tái)4上，在高精密轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)光柵旋轉(zhuǎn)。

本申請(qǐng)中的聲光偏轉(zhuǎn)器5是完成諧振腔內(nèi)光路偏折的元件，是快速調(diào)諧系統(tǒng)的核心，它包括超聲發(fā)生器51和聲光晶體52組成。聲光晶體52采用9～11μm波段透過(guò)率良好的多晶鍺材料，晶體內(nèi)超聲波傳輸速度v_s為5.5km/s，有效通光口徑8mm，波段內(nèi)單程透過(guò)率大于95％。超聲發(fā)生器51選擇電功率到聲功率轉(zhuǎn)換效率高的石英材料，在聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)電源7驅(qū)動(dòng)下，其諧振頻率f_s為40.68MHz。聲光偏轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為θ＝2arcsin(λf_s/2v_s)，據(jù)此計(jì)算，聲光偏轉(zhuǎn)器5可將光路偏轉(zhuǎn)的角度為4.5°，該角度足以滿足光路偏折應(yīng)用需求。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。