聲光調(diào)Q CO2激光器的輸出特性

潘其坤，謝冀江，阮 鵬，2，張來明，張傳勝

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

聲光調(diào)Q CO2激光器的輸出特性

潘其坤1，2*，謝冀江1，阮 鵬1，2，張來明1，張傳勝1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

采用諧振腔內(nèi)插入聲光調(diào)制器（AOM）的方法獲得了小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬、高峰值功率輸出。通過分析CO2激光器聲光調(diào)Q的工作原理，利用基于小信號(hào)增益和飽和光強(qiáng)的耦合輸出數(shù)學(xué)模型給出了激光器最佳輸出鏡透過率的數(shù)值解，并運(yùn)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：該聲光調(diào)Q CO2激光器的最佳輸出鏡透過率為39%。研究了激光器輸出性能隨脈沖重復(fù)頻率的變化規(guī)律，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率＞1 kHz時(shí)，激光器輸出峰值功率下降，這與CO2分子上能級(jí)壽命有關(guān)，并受聲光調(diào)Q開關(guān)熱效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)中獲得的激光器脈沖頻率在1 Hz～100 kHz可調(diào)。在脈沖頻率為1 kHz時(shí)，獲得的激光脈沖寬度為156 ns，脈沖峰值功率為10 kW，且穩(wěn)定性較好，非常適合于作激光與物質(zhì)相互作用的光源。

激光技術(shù)；CO2激光器；聲光調(diào)Q；輸出鏡；透過率

1 引 言

9.3 ～10.6μm CO2激光器在激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的應(yīng)用一直是各國科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，以此激光器為光源的激光干擾技術(shù)是該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向［1-2］。例如，用激光輻照航空或航天光電探測(cè)器（高靈敏度，高信噪比）時(shí)，能嚴(yán)重干擾它們的工作，引起探測(cè)器自身的飽和效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)丟失。干擾的結(jié)果不是損傷探測(cè)器，而是使之不能正常工作［3-4］。研究表明：激光對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)（光電探測(cè)器）的干擾作用與激光能量、脈沖寬度、峰值功率及光束質(zhì)量等激光器參數(shù)密切相關(guān)［5］。因此，提高激光輸出的峰值功率和重復(fù)頻率對(duì)于提高激光干擾能力具有重要的作用。目前，可用于激光干擾模擬實(shí)驗(yàn)的小型CO2激光器實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率輸出的主要手段有電光調(diào)Q［6］和機(jī)械調(diào)Q［7］：電光調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電壓高，技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，成本也高;機(jī)械調(diào)Q方法雖然成本較低，但是受斬波器轉(zhuǎn)速的限制，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高重復(fù)頻率輸出，且輸出脈寬較大。為此，本文采用了在諧振腔內(nèi)插入聲光調(diào)制器的方法設(shè)計(jì)了小型高重頻聲光調(diào)Q CO2激光器［8］。受限于晶體加工工藝，在9.3～10.6μm這一波段，聲光調(diào)Q晶體的單程透過率普遍較低（90%左右），這將導(dǎo)致激光器的腔內(nèi)損耗較大而運(yùn)轉(zhuǎn)困難，因此，國內(nèi)外很少見到運(yùn)用聲光調(diào)Q技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO2激光輸出的報(bào)道。本文首先利用基于小信號(hào)增益及飽和光強(qiáng)的耦合輸出數(shù)學(xué)模型在理論上研究了激光器輸出性能與輸出鏡透過率的關(guān)系，得到了透過率是影響激光輸出性能的一個(gè)重要因素的結(jié)論。進(jìn)而運(yùn)用一組具有不同透過率的ZnSe輸出鏡進(jìn)行了激光器輸出性能方面的實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述數(shù)學(xué)模型的正確性，得到了最佳輸出鏡透過率。實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的聲光調(diào)Q小型CO2激光器的綜合性能滿足激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域應(yīng)用的需求，有望成為該科學(xué)研究的理想光源。

2 聲光調(diào)Q的基本原理

聲光調(diào)Q開關(guān)是激光器實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率輸出的核心器件，它由聲光Q開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電源兩部分組成。聲光Q開關(guān)器件的原理是利用超聲波在介質(zhì)中傳播造成介質(zhì)折射率產(chǎn)生相應(yīng)的周期性變化，相當(dāng)于形成一個(gè)相位光柵，當(dāng)光波通過該介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。聲光調(diào)Q開關(guān)時(shí)序關(guān)系如圖1所示。0 V和5 V交替變化的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)（TTL）為外加控制信號(hào)，它將高低電平信號(hào)有規(guī)律地加到聲光Q開光驅(qū)動(dòng)電源上。當(dāng)TTL為低電平時(shí)，聲光Q開光驅(qū)動(dòng)電源有功率輸出，聲光換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能，超聲波在聲光介質(zhì)中傳播，此時(shí)聲光介質(zhì)相當(dāng)于相位光柵，聲光Q開光衍射效率很高（＞80%），腔內(nèi)Q值很低，因此抑制了諧振腔內(nèi)激光的振蕩，CO2分子上能級(jí)積累了大量高能粒子，無激光輸出。當(dāng)TTL信號(hào)為高電平時(shí)，聲光Q開光驅(qū)動(dòng)電源沒有功率輸出，聲光換能器不工作，聲光介質(zhì)為普通Ge單晶，對(duì)CO2激光單程透過率＞90%，此時(shí)聲光Q開光衍射效率為0，腔內(nèi)Q值瞬間升高，CO2分子上能級(jí)積累的大量高能粒子瞬間受激輻射，形成巨脈沖輸出。TTL信號(hào)周期性變換時(shí)，激光器便實(shí)現(xiàn)了脈沖輸出，其脈沖頻率受TTL信號(hào)源控制。如果通過編碼控制TTL電平信號(hào)，激光器便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的編碼脈沖輸出。

圖1 控制信號(hào)、衍射效率、腔內(nèi)Q值與輸出激光的相互關(guān)系Fig.1 Interdependence of control signal，diffraction efficiency，intracavity Q-value and laser output

3 基于小信號(hào)增益的理論模型

在理論上獲得激光器最佳耦合輸出時(shí)的輸出鏡透過率系數(shù)（t）對(duì)優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高激光器輸出性能具有重要意義。如果t太大，激光器由于損耗超過增益而無法工作;相反，如果t太小，激光在諧振腔內(nèi)往返振蕩而只有少量輸出，此時(shí)腔內(nèi)損耗增加、工作氣體溫度升高、激光上能級(jí)壽命縮短，從而導(dǎo)致激光器效率低且無法長時(shí)間工作。因此，激光器存在一個(gè)最佳耦合輸出系數(shù)?；谛⌒盘?hào)增益及飽和光強(qiáng)的耦合輸出數(shù)學(xué)模型如下［9］：

式中：Iout為輸出光強(qiáng)，Is為飽和光強(qiáng)，ta為聲光調(diào)制器的單程透過率，R1、R2分別為后反鏡、輸出耦合鏡的反射率，lg為增益介質(zhì)長度，γ0為小信號(hào)增益系數(shù)：

式中：A21為CO2上能級(jí)自發(fā)躍遷速率，λ為激光波長，ΔvH為碰撞線寬，ΔvD為多普勒線寬，ΔN為上下能級(jí)粒子數(shù)之差［10］：

式中：J為CO2分子轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)，上下能級(jí)粒子數(shù)分別為：

式中：f為CO2分子未分解比例（高壓放電時(shí)，CO2分子部分分解為CO分子），NCO2為CO2分子濃度，k為波爾茲曼常數(shù)，hνi為不同振動(dòng)能級(jí)能量，T1、T2、T3分別為CO2分子對(duì)稱振動(dòng)模、變形振動(dòng)模、反對(duì)稱振動(dòng)模的等效振動(dòng)溫度（T1，T2，T3均為時(shí)間的函數(shù)。激光器穩(wěn)定工作后，在外加冷卻系統(tǒng)的條件下，T1、T2、T3變化不大，為簡化計(jì)算，本模型假設(shè)它們均為常數(shù)），轉(zhuǎn)動(dòng)配分函數(shù)為：

式中：BCO2為CO2分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，T為工作介質(zhì)平均溫度。

4 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.2 Schematic of experimental device

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，激光器采用半外腔的直流放電增益和輸出鏡直接輸出的方式。諧振腔為平凹腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)插入了一個(gè)孔徑大小可調(diào)的光闌。聲光Q開關(guān)置于輸出鏡和光闌之間，放電增益區(qū)采用材料為ZnSe的布儒斯特窗封裝，激光器為水平線偏振輸出。

諧振腔后反鏡的曲率半徑為3 m，放電管增益區(qū)長度為0.8 m，放電管內(nèi)徑為8 mm，總氣壓為3.3 kPa，Xe、CO2、N2、He氣體體積比為1:2.5:2.5:17.5。孔徑光闌大小在1～8 mm連續(xù)可調(diào)，距離輸出鏡180 mm。聲光Q開關(guān)通光孔徑為6 mm×14 mm，TTL信號(hào)為1 Hz～100 kHz連續(xù)可調(diào)，光學(xué)諧振腔長度為1.2 m。輸出激光先由平面反射鏡改變光路，如圖2所示，接著由分光鏡（鍍膜鍺鏡，反射率為70%）將光束分為兩支，一支光束由PVM-10.6型室溫HgCdTe探測(cè)器接收經(jīng)放大器放大后由帶寬為500 MHz的TDS3052B型示波器顯示激光脈沖波形，另一支光束由LP-3C型激光功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出功率。

4.2 激光器最佳耦合輸出鏡的選擇

4.2.1 理論計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用耦合輸出方程對(duì)激光器輸出光強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算，解方程時(shí)考慮了激光器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果及表1中所列出的相關(guān)數(shù)據(jù)［11］。運(yùn)用MATLAB計(jì)算軟件，將式（2）～（5）代入式（1）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到輸出光強(qiáng)度/飽和光強(qiáng)（Iout/Is）隨輸出鏡透過率的變化關(guān)系（如圖3所示）。隨著輸出鏡透過率的升高，輸出光強(qiáng)先是逐漸增大，當(dāng)輸出鏡透過率達(dá)到最優(yōu)值時(shí)（t=39%），輸出光強(qiáng)達(dá)到最大值，此后再增大輸出鏡透過率，輸出光強(qiáng)度逐漸降低。計(jì)算結(jié)果表明：激光器存在最佳輸出鏡透過率，這為激光器參數(shù)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

表1 求解激光器最佳耦合輸出所需的相關(guān)數(shù)據(jù)［11］Tab.1 Parameters used for solving the coup ling-out of Q-sw itched CO2laser

圖3 輸出光強(qiáng)與飽和光強(qiáng)的比值隨輸出鏡透過率的變化關(guān)系Fig.3 Variation of Iout/Iswith transmittance of output mirror

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)最佳耦合輸出理論，采用定制的一組ZnSe輸出鏡對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。其透過率分別為18%、25%、32%、39%、46%、53%，厚度均為2.5 mm，通光孔徑均為28 mm。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了每塊輸出鏡在不同頻率時(shí)的脈沖寬度（脈沖寬度基本保持不變）和平均功率，通過計(jì)算可得出激光輸出峰值功率。運(yùn)用MATLAB計(jì)算軟件，在不同透過率條件下，得到了激光器峰值功率與透過率間的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 激光器輸出峰值功率與輸出鏡透過率間的關(guān)系曲線Fig.4 Peak power of CO2laser as a function of transmittance of outputmirror

由圖4可知，在不同重復(fù)頻率條件下，激光器的輸出峰值功率均是先隨輸出鏡透過率增加而增大，當(dāng)輸出鏡透過率達(dá)到最優(yōu)值以后，輸出功率隨著透過率的增大而減小。實(shí)驗(yàn)中獲得的最佳耦合輸出系數(shù)與理論值一致，驗(yàn)證了最佳耦合輸出理論的正確性。激光器輸出性能受脈沖重復(fù)頻率影響與重復(fù)頻率大小有關(guān)，當(dāng)重復(fù)頻率＜1 kHz時(shí)，激光器的輸出性能基本保持不變;當(dāng)重復(fù)頻率＞1 kHz時(shí)，隨著重復(fù)頻率的升高，激光器輸出性能逐漸下降。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文給出兩點(diǎn)解釋：

（1）這與CO2分子上能級(jí)輻射壽命約為1 ms有關(guān)。當(dāng)頻率＞1kHz（相當(dāng)于相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔＜1 ms）時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)未積累到最大值就受激輻射輸出激光，這必然導(dǎo)致輸出峰值功率的下降。

（2）這與聲光調(diào)Q開關(guān)器件的性能有關(guān)。聲光調(diào)Q開關(guān)是實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率輸出的一個(gè)關(guān)鍵器件，它的熱效應(yīng)對(duì)激光輸出性能有較大的影響。本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)Q開關(guān)器件采用了循環(huán)水冷卻，因而，其聲光晶體周邊溫度基本保持不變，而晶體中心由于吸熱將導(dǎo)致明顯的升溫，且升溫幅度隨著脈沖重復(fù)頻率的升高而增大，這將導(dǎo)致晶體產(chǎn)生橫向熱梯度分布，從而影響晶體的折射率分布。在調(diào)Q晶體中心溫度超過其允許的工作溫度時(shí)，調(diào)Q開關(guān)將自動(dòng)打開熱互鎖設(shè)備，關(guān)斷調(diào)Q開關(guān)。另一方面，由于聲光晶體Ge的吸收系數(shù)隨著溫度的升高而變大［12］，這將導(dǎo)致激光的損耗（吸收損耗、衍射損耗、散射損耗等）增大，尤其是在高重復(fù)頻率時(shí)，它將嚴(yán)重限制激光器的單脈沖輸出能量，而輸出能量的降低必將導(dǎo)致輸出峰值功率的下降，這也是限制該類激光器發(fā)展的重要原因之一。

4.3 激光器輸出性能

在輸出鏡透過率為39%時(shí)，激光器的輸出性能較優(yōu)。此時(shí)，流經(jīng)放電區(qū)的電流為12 mA，激光器連續(xù)輸出功率為22 W，諧振腔內(nèi)插入聲光調(diào)Q開關(guān)后輸出功率下降到7.5 W。由HgCdTe探測(cè)器測(cè)得頻率為1 kHz的激光脈沖波形如圖5所示。由圖5（a）可知，輸出脈沖寬度約為156 ns（Ch1），Ch2為TTL觸發(fā)信號(hào)，激光脈沖建立時(shí)間為2.9μs。測(cè)得激光器平均輸出功率為0.47 W，則實(shí)際平均輸出功率為1.56 W（分光比為3:7），此時(shí)，激光器輸出峰值功率為10 kW;由圖5（b）可看出，在重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器穩(wěn)定性較好，輸出激光脈沖幅值差＜±5%。

圖5 重頻為1 kHz時(shí)的激光脈沖波形Fig.5 Outputwaveforms of laser at1 kHz

5 結(jié) 論

采用聲光調(diào)Q方法是實(shí)現(xiàn)小型CO2激光器窄脈寬、高峰值功率、高重頻輸出的一種有效技術(shù)手段。本文通過對(duì)基于小信號(hào)增益及飽和光強(qiáng)理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了輸出鏡透過率對(duì)激光器輸出性能影響。實(shí)驗(yàn)表明：在不同的頻率條件下，激光器輸出功率隨輸出鏡透過率的變化而變化，且存在最大值，這與上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果一致。這一結(jié)論對(duì)于進(jìn)一步開展聲光調(diào)Q小型CO2激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的價(jià)值。

通過CO2激光上能級(jí)壽命及聲光調(diào)Q開關(guān)的熱效應(yīng)解釋了激光器輸出性能隨重復(fù)頻率增加而下降這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了1 Hz～100 kHz重復(fù)頻率的激光輸出，在脈沖頻率為1 kHz時(shí)，獲得的激光脈沖寬度為156 ns，脈沖峰值功率為10 kW，且激光器高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出性能穩(wěn)定。該裝置有望成為激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域研究實(shí)驗(yàn)中使用的理想光源。

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Output performance of acousto-optic Q-switched CO2laser

PAN Qi-kun1，2*，XIE Ji-jiang1，RUAN Peng1，2，ZHANG Lai-ming1，ZHANG Chuan-sheng1
（1.State Key Laboratory of Laser Interactionωith Matter，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）
*Corresponding author，E-mail：panqikun2005@163.com

A compact CO2laser with short pulse duration，high peak power and high repetition was developed by using an Acousto-optic（AO）Q-switch.The operating principle of the AO Q-switch was analyzed，and the theoreticalmodel of CO2laserwas introduced based on the small-signal gain and saturation intensity.Then the optimal numerical solution of the transmission for an outputmirrorwas given by thismodel.Based on the compact CO2laser in our laboratory，the experiments to verify the theoretical result were performed.The optimalcoupling output factor gained by the theory and experiments is39%.The variable law of laser output performance with pulse repetition frequency was researched.Results show that the peak power of the laser will fall down when the pulse repetition frequency is greater than 1 kHz，which is related to the radiation life of CO2molecular upper energy level，and is limited by the heat effect of AO Q-switch.The range of pulse repetition frequency can be adjusted from 1 Hz to 100 kHz.When the pulse repetition frequency is1 kHz，themeasured pulse duration is 156 ns and the peak power is 10 kW.The laser has good stabilization，and is suitable for a light source used in laser-matter interaction.

laser technology;CO2laser;acousto-optic Q-switching;outputmirror;transmission

TN248.2

A

10.3788/CO.20120503.0283

潘其坤（1985—），男，河南開封人，博士研究生，主要從事激光器方面的研究。E-mail：panqikun2005@163.com

謝冀江（1959—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，研究員，主要從事激光器及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究。E-mail：Laserxjj@163.com

1674-2915（2012）03-0283-06

2012-01-16；

2012-03-15

激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（No.SKLLIM0902-01）;吉林省科技廳科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.20090358）