一種用於化學雷射裝置的選線環形腔的製作方法

2023-04-30 17:27:11

一種用於化學雷射裝置的選線環形腔的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於化學雷射裝置的選線環形腔，該裝置採用穩定環形腔結構，沿雷射的傳輸方向依次設置有閃耀光柵、平面反射鏡、平面反射鏡、平凹反射鏡、布儒斯特片、激活介質區、布儒斯特片，在閃耀光柵的零級衍射輸出設置有平面反射鏡。本發明雷射裝置使用固定衍射光柵，利用利用一級衍射振蕩、零級衍射輸出的方式實現化學雷射器的選線輸出。雷射器的諧振腔採用四鏡矩形行波腔或四鏡「8」字環形行波腔結構，使得雷射器能夠更為有效地提取增益介質區內的激活粒子，提高選線雷射的輸出功率，其具有結構緊湊、功率高，光束質量好、穩定性高等特點，可廣泛應用於雷射物理、雷射化學、材料加工等領域。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於化學雷射器件領域，具體涉及一種用於化學雷射裝置的選線環形諧振 腔。 -種用於化學雷射裝置的選線環形腔

【背景技術】
[0002] 化學雷射器自問世以來，因應用前景廣泛而得到迅速的發展。化學雷射器具有許 多顯著的優點，能量轉換效率和輸出功率都很高，可放大性好，通常工作在大氣傳輸良好的 中紅外波段且雷射譜線豐富，是目前為止應用的最高輸出功率的雷射器。中紅外化學雷射 器由於各譜線增益係數比較接近，通常是多譜線運轉，如果需要選擇某一支躍遷譜線，需要 在腔內放置色散元件，用以抑制其它譜線的躍遷。閃耀光柵由於其具有很好的定向衍射能 力，使用閃耀光柵選線是選線雷射器中比較常見的方法。
[0003] 使用閃耀光柵進行選線，需滿足光柵方程?(其中ρ、Θ分別是 入射角和衍射角，d為刻線間距離l/300mm，m為衍射級次)，對於一般的直線型駐波腔，閃耀 光柵一般以Littrow方式工作，即滿足入射角免和衍射角Θ相等的譜線才能在腔內實現振 蕩，實現雷射器的選線輸出。由於閃耀光柵的一級衍射效率只能達到90%左右，腔內損耗比 較大，因此不適合用來實現增益較小的譜線輸出。相反，採用光柵一級衍射振蕩、零級衍射 耦合輸出的方法，腔內損耗較小，適用於增益係數較低的譜線輸出。並且，目前的選線雷射 器大都採用駐波腔結構，其噪聲較大、閾值較高，光束質量也並不優良。相對而言，行波腔光 束質量好，相對強度噪聲低，且閾值較低，還可以提高雷射器的光譜純度、壓縮線寬，更利於 雷射器單線單模運行。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於克服上述不足，提供一種用於化學雷射裝置的選線環形腔，使 用旋轉閃耀光柵，利用利用一級衍射振蕩、零級衍射輸出的方式實現化學雷射器的選線輸 出。雷射器的諧振腔採用四鏡矩形行波腔或四鏡"8"字環形行波腔結構，使得雷射器能夠 更為有效地提取增益介質區內的激活粒子，提高選線雷射的輸出功率，具有結構緊湊、功率 高，光束質量好、穩定性高等特點。
[0005] 為實現本發明的目的，具體技術解決方案是：
[0006] 一種用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於包括：
[0007] 增益介質區，用於產生不同波長的受激輻射光；
[0008] 布儒斯特片I，用於將所述增益介質區產生的光變為振動方向平行於入射面的線 偏振光；
[0009] 閃耀光柵，用於選取所述布儒斯特片I產生的線偏振光的一級衍射波長的光以及 將一級衍射波長的光輸入給平面反射鏡；
[0010] 兩個平面反射鏡，一個平面反射鏡用於匯聚所述閃耀光柵選取的光，並將匯聚的 光輸出到另一個到平面反射鏡上；另一個平面反射鏡將光反射到平凹反射鏡上； toon] 平凹反射鏡，用於將所述至少一個平面反射鏡輸入的光匯聚在布儒斯特片上；
[0012] 布儒斯特片II，用於將平凹反射鏡反射匯集的線偏振光進入所述增益介質區。
[0013] 本發明的上述技術方案中，為了進一步的優選，所述選線環形腔為矩形行波腔；其 中，所述矩形行波腔是平面反射鏡I將匯聚所述閃耀光柵選取的光反射到平面反射鏡II 上，所述平面反射鏡II將平面反射鏡I輸出的光反射到所述平凹反射鏡上，所述平凹反射 鏡將平面反射鏡II輸出的光反射到所述閃耀光柵上。
[0014] 本發明的上述技術方案中，所述平凹反射鏡和閃耀光柵之間的光路、所述平面反 射鏡I和平面反射鏡II之間的光路通過所述增益介質區。
[0015] 本發明的上述技術方案中，為了進一步的優選，所述選線環形腔為"8"字環形行波 腔；其中，所述"8"字環形行波腔是平面反射鏡II將匯聚所述閃耀光柵選取的光反射到平 面反射鏡I上，所述平面反射鏡I將平面反射鏡II輸出的光反射到所述平凹反射鏡上，所 述平凹反射鏡將平面反射鏡I輸出的光反射到所述閃耀光柵上。所述閃耀光柵一級衍射輸 出的光與所述平面反射鏡輸出的光相交叉。
[0016] 所述閃耀光柵和平面反射鏡II之間的光路、平面反射鏡II和平面反射鏡I之間的 光路、平面反射鏡I和平凹反射鏡之間的光路、平凹反射鏡和閃耀光柵之間的光路均通過 增益介質區。
[0017] 本發明的上述技術方案中，具體地，通過旋轉閃耀光柵來實現雷射器的選線輸出。
[0018] 本發明的上述技術方案中，更具體地，在閃耀光柵的零級衍射耦合輸出的方向上 設有平面反射鏡III，用於調變輸出光的角度。
[0019] 本發明中所述布儒斯特片I和布儒斯特片II與光軸的夾角為60. 5°。
[0020] 本發明雷射裝置的工作過程如下：閃耀光柵被放置在電動轉臺上，其衍射角度被 調整為選線波長所對應的衍射角，滿足光柵方(其中ρ、Θ分別是入 射角和衍射角，d為刻線間距離且本發明中d為l/300mm，m為衍射級次)，對於一般的直線 型駐波腔，閃耀光柵一般以Littrow自準直方式工作，即滿足入射角&和衍射角Θ相等的 譜線才能在腔內實現振蕩，實現雷射器的選線輸出。當雷射器工作時，由化學反應所產生 的增益介質區內的激活介質產生不同波長的受激輻射光，當這些輻射光入射到閃耀光柵上 時，滿足閃耀光柵一級衍射波長的輻射光被衍射到腔內平面反射鏡上，經腔內另一平面反 射鏡反射和平凹反射鏡反射後，再一次進入增益介質區內提取激活粒子併入射到光柵發生 衍射，而其它波長的輻射光由於其衍射角不同，被閃耀光柵衍射或被其他平面反射鏡反射 出諧振腔外。被選波長的光在閃耀光柵、兩平面反射鏡、平凹反射鏡所組成的環形腔之間形 成振蕩，並通過提取增益介質區內的激活粒子進行放大，最後通過閃耀光柵的零級衍射耦 合輸出，並由腔外平面反射鏡調整輸出雷射的方向。
[0021] 所述的閃耀光柵為銅基底平面刻劃光柵，一級衍射效率大於90%。
[0022] 所述的閃耀光柵放置在電動轉臺上，通過旋轉其角度調整衍射角。
[0023] 所述的環形腔為平凹穩定行波腔。
[0024] 所述的腔外平面反射鏡放置在電動轉臺上，通過旋轉其角度調整選線雷射的輸出 方向。
[0025] 本發明具有以下優點：
[0026] 1、採用閃耀光柵一級衍射振蕩，零級衍射作為耦合輸出的選線方法，可以有效降 低諧振腔內的光學損耗，尤其適用於增益較弱的譜線的選線輸出；
[0027] 2、雷射諧振腔採用行波腔，與駐波腔相比具有輸出雷射光束質量好、強度噪聲低、 閾值低等優點，還可以提高雷射器的光譜純度、壓縮線寬，更利於雷射器單線單模運行；
[0028] 3、諧振腔採用四鏡矩形行波腔或四鏡"8"字環形行波腔結構，使得光路多次穿過 增益介質區，能夠更為有效地提取增益介質區內的激活粒子，提高選線雷射的輸出功率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 本發明附圖2幅，
[0030] 圖1為本發明用於化學雷射裝置的選線四鏡矩形腔的結構示意圖；
[0031] 圖2為本發明用於化學雷射裝置的選線四鏡"8"字形腔的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0032] 如附圖1所示，本發明用於化學雷射裝置的選線四鏡矩形腔的結構包括：增益介 質區601，布儒斯特片I 701，閃耀光柵101，兩個平面反射鏡201、202,平凹反射鏡401，布儒 斯特片II 501，平面反射鏡III 801。
[0033] 閃耀光柵101被放置在電動轉臺上，其衍射角度被調整為選線波長所對應的衍射 角。雷射器工作時，由化學反應所產生的增益介質區601內的激活介質產生不同波長的受 激輻射光，這些輻射光經過布儒斯特片I 701變為振動方向平行於入射面的線偏振光，當 這些線偏振光入射到閃耀光柵101上時，滿足閃耀光柵101 -級衍射波長的輻射光被衍射 到腔內平面反射鏡I 201上，經腔內另一平面反射鏡反射II 202和平凹反射鏡反射401後， 穿過布儒斯特片II 501再一次進入增益介質區601內提取激活粒子併入射到閃耀光柵101 上發生衍射，形成環形傳輸。而其它波長的輻射光，由於閃耀光柵101對其衍射角度不同， 被閃耀光柵101衍射或被其它反射鏡反射出諧振腔外。被選波長的光在閃耀光柵101、平面 反射鏡I 201、平面反射鏡II 202、平凹反射鏡401所組成的四鏡矩形腔之間形成振蕩。平 面反射鏡I 201和平面反射鏡II 202之間的光路、平凹反射鏡401和閃耀光柵101之間的 光路均通過增益介質區601提取激活粒子進行放大，腔內的振蕩光通過閃耀光柵101的零 級衍射耦合輸出，並由腔外平面反射鏡801調整輸出雷射的方向。
[0034] 如附圖2所示，本發明用於化學雷射裝置的選線四鏡"8"字形腔的結構包括：增益 介質區602,布儒斯特片I 702,閃耀光柵102,兩個平面反射鏡203、204,平凹反射鏡402,布 儒斯特片II 502,平面反射鏡III 802。
[0035] 雷射器工作時，增益介質區602內產生的被選波長的輻射光經過布儒斯特片 I 702變為線偏振光後入射到閃耀光柵102上，由閃耀光柵102 -級衍射到腔內平面反射 鏡II 204上，經腔內平面反射鏡反射I 203反射至平凹反射鏡402,並由平面反射鏡402反 射，穿過布儒斯特片II 502再一次進入增益介質區602內提取激活粒子併入射到閃耀光柵 102上發生衍射，形成傳輸。而其它波長的福射光均被衍射或反射出諧振腔外。被選波長 的光在閃耀光柵102、平面反射鏡II 204、平面反射鏡I 203、平凹反射鏡402所組成的四 鏡"8"字形腔之間形成振蕩。閃耀光柵102和平面反射鏡II 204之間的光路、平面反射鏡 II 204和平面反射鏡I 203之間的光路、平面反射鏡I 203和平凹反射鏡402之間的光路 以及平凹反射鏡402和閃耀光柵101之間的光路均通過增益介質區602提取激活粒子進行 放大，環形腔內的振蕩光通過閃耀光柵102的零級衍射耦合輸出，並由腔外平面反射鏡802 調整輸出雷射的方向。
[0036] 本發明適用於具有較小增益係數的雷射器選線輸出，雷射器的諧振腔採用環形腔 結構，能夠更為有效地提取增益介質區內的激活粒子，提高選線雷射的輸出功率，且具有結 構緊湊、功率高，光束質量好、穩定性高等特點。本發明可以應用於HF/DF雷射器、HBr雷射 器及氣動〇) 2雷射器等系統。
【權利要求】
1. 一種用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於包括： 增益介質區（600)，用於產生不同波長的受激輻射光； 布儒斯特片I (700)，用於將所述增益介質區（600)產生的光變為振動方向平行於入 射面的線偏振光； 閃耀光柵（100)，用於選取所述布儒斯特片I (700)產生的線偏振光的一級衍射波 長的光以及將一級衍射波長的光輸入給平面反射鏡（200)，並將放大後的光在閃耀光柵 (100) 的零級衍射耦合輸出； 兩個平面反射鏡（200)，一個平面反射鏡用於匯聚所述閃耀光柵（100)選取的光，並將 匯聚的光輸出到另一個到平面反射鏡上；另一個平面反射鏡將光反射到平凹反射鏡（400 ) 上； 平凹反射鏡（400)，用於將所述平面反射鏡（200)輸入的光匯聚在布儒斯特片（500) 上； 布儒斯特片II (500)，用於將平凹反射鏡（400)反射匯集的線偏振光進入所述增益介 質區（600)。
2. 根據權利要求1所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：所述選線 環形腔為矩形行波腔；其中，所述矩形行波腔是平面反射鏡I (201)將匯聚所述閃耀光柵 (101) 選取的光反射到平面反射鏡II (202)上，所述平面反射鏡II (202)將平面反射鏡I (201) 輸出的光反射到所述平凹反射鏡（401)上，所述平凹反射鏡（401)將平面反射鏡II (202) 輸出的光反射到所述閃耀光柵（101)上。
3. 根據權利要求2所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：所述平凹反 射鏡（401)和閃耀光柵（101)之間的光路、所述平面反射鏡I (201)和平面反射鏡II (202) 之間的光路均通過所述增益介質區（601)。
4. 根據權利要求1所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：所述選線環 形腔為"8"字環形行波腔；其中，所述"8"字環形行波腔是平面反射鏡II (204)將匯聚所述 閃耀光柵（102)選取的光反射到平面反射鏡I (203)上，所述平面反射鏡I (203)將平面反 射鏡II (204)輸出的光反射到所述平凹反射鏡（402)上，所述平凹反射鏡（402)將平面反射 鏡I (203)輸出的光反射到所述閃耀光柵（102)上。所述閃耀光柵（102) -級衍射輸出的 光與所述平面反射鏡I (203)輸出的光相交叉。
5. 根據權利要求4所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：所述閃耀光 柵（102)和平面反射鏡II (204)之間的光路、平面反射鏡II (204)和平面反射鏡I (203)之 間的光路、平面反射鏡I (203)和平凹反射鏡（402)之間的光路、平凹反射鏡（402)和閃耀 光柵（102 )之間的光路均通過增益介質區（602 )。
6. 根據權利要求1所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：通過旋轉閃 耀光柵（100)來實現雷射器的選線輸出。
7. 根據權利要求1?6任一所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：在 閃耀光柵（100)的零級衍射耦合輸出的方向上設有平面反射鏡111(800)，用於調變輸出光 的角度。
8. 根據權利要求7所述的用於化學雷射裝置的選線環形腔，其特徵在於：通過改變平 面反射鏡III (800 )的角度來調整雷射的輸出方向。
【文檔編號】H01S3/083GK104064946SQ201310097371
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月22日 優先權日:2013年3月22日
【發明者】王元虎, 多麗萍, 唐書凱, 於海軍, 汪健, 曹靖, 康元福, 金玉奇 申請人:中國科學院大連化學物理研究所