緊湊型波長自動調(diào)諧脈沖CO2 激光器

潘其坤 ，苗昉晨，司紅利，沈 輝，高 飛，于德洋，張 闊，張冉冉，趙崇霄，陳 飛，郭 勁

（1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,吉林 長春 130033；2. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510000；3. 火箭軍裝備部駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室, 黑龍江 哈爾濱 150028；4. 北方自動控制技術(shù)研究所，山西 太原，030006）

1 引 言

脈沖CO2激光器具有輸出功率高、光譜純度好、脈寬易調(diào)制等優(yōu)點，在超精密光學(xué)材料加工、激光刻蝕、強場激光物理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-6]。同時CO2激光器在9～11 μm 范圍內(nèi)擁有極為豐富的譜線輸出，覆蓋了多種氣體的吸收峰，可調(diào)諧脈沖CO2激光器在激光差分吸收雷達(dá)領(lǐng)域備受關(guān)注[7-11]。

應(yīng)用于激光差分吸收雷達(dá)的激光器要求同軸輸出兩個不同波長的激光，一個波長的激光與待測氣體吸收峰一致，另一個波長的激光偏離待測氣體吸收區(qū)，通過差分處理雙波長激光的回波信號，獲得待測氣體的濃度信息。Ruan 等報道了一種基于雙聲光調(diào)制器的快調(diào)諧脈沖CO2激光器，獲得了調(diào)諧時間小于1 ms 的雙波長CO2激光輸出[8]。Tehrani 等基于兩臺波長調(diào)諧范圍為9.2～10.8 μm 的可調(diào)諧脈沖TEA CO2激光器，搭建了車載探測化學(xué)戰(zhàn)劑的激光雷達(dá)系統(tǒng)，體積為7 m×2.5 m×3 m，探測距離達(dá)到了1 km[9]。Avishekh 等基于平均功率為1 W 的連續(xù)CO2激光器，實現(xiàn)了9.7～11.2 μm 的波長調(diào)諧范圍，搭建了探測三過氧化三丙酮氣體的激光雷達(dá)裝置，工作距離為0.1 km[10]。Karapuzikov 等基于可調(diào)諧TEA CO2激光器，搭建了直升機搭載的激光差分吸收雷達(dá)探測設(shè)備，系統(tǒng)體積為500 mm×600 mm×700 mm，功耗為1 kW，實現(xiàn)了1 km 的探測距離[11]。

運用CO2激光差分吸收雷達(dá)探測有毒害氣體時，稍有不慎就會對操作人員造成傷害[12]。無人機搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)避免了人員接觸，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的探測作業(yè)[13-14]，無人機載CO2激光差分吸收雷達(dá)是遠(yuǎn)程探測有毒害氣體的最佳方法之一。目前已報道的CO2激光差分吸收雷達(dá)系統(tǒng)受CO2激光器體積大、功耗高、峰值功率低等條件限制，難以滿足無人機載應(yīng)用需求。緊湊型、低功耗、自動調(diào)諧脈沖CO2激光器在新應(yīng)用需求牽引下將成為研究熱點。

本文基于低功耗機械調(diào)Q技術(shù)和小型化高精度轉(zhuǎn)臺驅(qū)動光柵調(diào)諧技術(shù)，研制了一臺小型輕量化的自動調(diào)諧脈沖CO2激光器樣機，實現(xiàn)了射頻波導(dǎo)腔和自由空間光學(xué)斬波器的光束匹配，有效提升了CO2激光器的輸出性能。

2 實驗裝置

面向應(yīng)用需求，本文設(shè)計的自動調(diào)諧脈沖CO2激光器在考慮系統(tǒng)體積、重量和功耗的同時兼顧激光器脈沖輸出特性。實驗裝置原理示意如圖1 所示，其由波長自動調(diào)諧、波導(dǎo)增益、脈沖調(diào)制3 個模塊組成。金屬原刻光柵為波長自動調(diào)諧核心元件，光柵常數(shù)為10 μm，光柵閃耀角為31.97°，閃耀波長為10.59 μm。光柵工作在一級振蕩，零級輸出的工作模式，1 級衍射效率為70%。在旋轉(zhuǎn)光柵調(diào)諧激光波長過程中，光柵零級輸出角度隨之改變，為此，采用了角反射器原理，即金屬閃耀光柵與反射鏡1 構(gòu)成角反射器隨電動轉(zhuǎn)臺一起旋轉(zhuǎn)，確保在激光器波長自動調(diào)諧過程中輸出激光角度恒定。

圖1 可調(diào)諧脈沖CO2 激光器原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of a tunable pulsed CO2 laser

相比于直流激勵CO2激光管，射頻激勵波導(dǎo)CO2激光管工作氣壓高、增益大、可風(fēng)冷散熱，電光效率高，為激光器系統(tǒng)小型化提供了條件。本文采用了平均功率為30 W 的射頻波導(dǎo)CO2激光管，射頻調(diào)制頻率為100 kHz。為了適應(yīng)全外腔應(yīng)用，對其兩端的諧振腔鏡進(jìn)行改造，靠近光柵端的輸出鏡更換為高透的ZnSe 平面窗口鏡，靠近光學(xué)斬波器的后反射鏡更換為高透的ZnSe 凸透鏡。

脈沖調(diào)制模塊用于對激光器Q值進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)激光器高峰值功率、短脈沖寬度輸出。聲光調(diào)制[15]和電光調(diào)制[16]具有良好的脈沖調(diào)制效果，但其功耗高、驅(qū)動電壓高、散熱困難，不利于系統(tǒng)小型化設(shè)計。本項目采用了低功耗的光學(xué)斬波器作為脈沖調(diào)制器件。由于光學(xué)斬波器的斬波扇轉(zhuǎn)動速度低，因此，如何優(yōu)化光束直徑，提升斬波扇在腔內(nèi)光束上的渡越時間至關(guān)重要。本文用于密封射頻波導(dǎo)激光器的凸透鏡和后反射鏡組成光束變換系統(tǒng)，凸透鏡的焦距與后反射鏡球心重合，斬波扇位于凸透鏡焦平面上，既提升了自由空間光束與射頻波導(dǎo)腔的匹配度，保障了光束的自再現(xiàn)傳輸，又壓縮了斬波扇在光束上的渡越時間，改善了激光器脈沖調(diào)制特性。由后反射鏡、凸透鏡、光柵組成穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔系統(tǒng)，有效提升了復(fù)雜環(huán)境下激光器系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性。

3 實驗結(jié)果

首先研究了射頻激勵波導(dǎo)CO2激光器的機械調(diào)Q性能，此時采用了透射率為30%的ZnSe 平面鏡代替金屬閃耀光柵作為激光器輸出鏡，其透射率與金屬閃耀光柵的零級衍射效率接近。光學(xué)斬波器的電機最大轉(zhuǎn)速為100 r/s，斬波扇面上的開孔數(shù)量為10，此時光學(xué)斬波器的最大調(diào)制頻率為1 kHz。斬波扇面上的通光直徑對激光器調(diào)Q性能影響顯著。為了研究斬波扇上通光直徑與腔內(nèi)光束直徑的匹配關(guān)系，加工了通光孔徑分別為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm 的斬波扇葉，實驗研究了它們的脈沖調(diào)制特性。不同通光孔徑下的激光輸出平均功率如圖2 所示，射頻調(diào)制頻率設(shè)定為20 kHz，斬波器工作頻率為1 kHz。

圖2 脈沖CO2 激光平均功率隨射頻激勵占空比變化關(guān)系Fig. 2 Relationship between the average power of a pulsed CO2 laser and the RF excitation duty cycle

如圖2 所示，在相同斬波扇孔徑條件下，隨著射頻調(diào)制占空比的增加，激光平均功率先呈線性增加，即注入射頻功率越高，激光輸出平均功率越高。但當(dāng)射頻占空比大于60%以后，激光器平均功率開始略微下降，這是由于激光上能級壽命與斬波器工作頻率不匹配造成的。由于光學(xué)斬波器的重復(fù)頻率偏低，更多的注入功率也無法積累更多的激光增益，這決定了1 kHz 條件下激光平均功率不會隨著占空比的增加無限增加。同時，隨著占空比的提升，風(fēng)冷的射頻放電管的熱效應(yīng)逐漸顯著，也將導(dǎo)致激光器的平均輸出功率下降。在相同的射頻占空比和激光重復(fù)頻率條件下，隨著通光孔徑的增加，激光平均功率顯著增加，導(dǎo)致這一情況最直接的原因是隨著通光孔徑的增大，插入損耗逐漸降低。斬波扇的通光孔徑還將顯著影響激光脈沖波形，采用HgCdTe 光電探測器測試不同通光孔徑下的激光脈沖波形，如圖3 所示。

由圖3 可知，由于斬波扇轉(zhuǎn)速相同，獲得的激光脈沖具有相似的陡峭的前沿波形。在通光孔徑分別為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm 時，測試的激光脈沖全波半高寬分別為330 ns，350 ns，380 ns。隨著斬波扇通光孔徑的增大，激光脈沖后沿拖尾越發(fā)的嚴(yán)重，在通光孔徑為1.2 mm 時，激光脈沖不僅拖尾嚴(yán)重、還出現(xiàn)了二次峰，這是CO2激光器調(diào)Q器件響應(yīng)慢的典型特征。綜合分析機械調(diào)QCO2激光器輸出平均功率和脈沖波形可知，當(dāng)斬波扇的通光孔徑為0.8 mm 時與腔內(nèi)光束匹配較好，CO2激光器的脈沖峰值功率達(dá)到6.6 kW。在通光孔徑為0.8 mm、重復(fù)頻率為1 kHz 時的多重頻脈沖波形如圖3(d)所示。由圖3(d)可知機械斬波扇在高速旋轉(zhuǎn)過程中的機械振動是引發(fā)脈沖幅值抖動的主要因素。

圖3 采用不同通光孔徑斬波扇機械調(diào)Q 獲得的CO2 激光脈沖波形：（a）0.4 mm，（b）0.8 mm，(c) 1.2 mm。（d）0.8 mm 孔徑1 kHz 脈沖串波形Fig. 3 CO2 pulse waveforms obtained by mechanical Qswitching of chopper fans with different optical apertures. (a) 0.4 mm, (b) 0.8 mm, (c) 1.2 mm.(d) Pulse train at 1 kHz with slits width of 0.8 mm

在機械調(diào)Q脈沖CO2激光器研究基礎(chǔ)上，基于通光孔徑為0.8 mm 的斬波扇葉進(jìn)行腔內(nèi)激光脈沖調(diào)制，對CO2激光器波長自動調(diào)諧性能進(jìn)行了研究。依據(jù)光柵方程[17]，計算可得CO2激光器相鄰工作波長的入射角相差約0.07°。據(jù)此，選擇了小型輕量化、高精度的電動轉(zhuǎn)臺作為驅(qū)動光柵旋轉(zhuǎn)器件，如圖4 所示。電動轉(zhuǎn)臺閉環(huán)分辨率為0.001°，閉環(huán)重復(fù)定位精度為±0.002°，尺寸為50 mm×50 mm×15 mm，電動轉(zhuǎn)臺開機具有自動尋找物理零點的功能。

圖4 小型、輕量化高精度電動轉(zhuǎn)臺Fig. 4 Small lightweight high precision electric turntable

采用CO2激光譜線分析儀測試了機械調(diào)Q脈沖CO2激光器的輸出譜線，結(jié)果如圖5 所示。在9.2～10.7 μm 范圍內(nèi)共測試到30 條激光譜線，其中，10P 支激光譜線為10 條，最高平均功率為1.3 W@10.59 μm，峰值功率為3.7 kW。值得關(guān)注的是，從10P 支譜線到9R 支譜線，激光平均功率呈近似線性下降，明顯與CO2激光增益譜分布不匹配，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有：（1）金屬閃耀光柵、射頻波導(dǎo)管密封窗設(shè)計的最佳工作波長為10.59 μm，諧振腔光學(xué)元件在其他波段的插入損耗較大；（2）激光器在波長10.59 μm 處進(jìn)行裝調(diào)，轉(zhuǎn)臺的重復(fù)定位偏差將引入方位方向諧振腔失調(diào)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)平臺平行度偏差將引入俯仰方向諧振腔失調(diào)，且諧振腔失調(diào)量將隨電動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度增大而逐漸累積。通過優(yōu)化設(shè)計閃耀光柵和射頻波導(dǎo)管密封窗口工作波長，并引入俯仰、方位角度閉環(huán)校正裝置補償轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的諧振腔失調(diào)，有望獲得更多的CO2激光輸出譜線，并提升9P、9R 支激光譜線輸出功率。

圖5 機械調(diào)Q 脈沖CO2 激光器輸出譜線Fig. 5 Output spectrum of mechanical Q-switched pulsed CO2 lasers

面向無人機載激光差分雷達(dá)應(yīng)用需求，在波長自動調(diào)諧、射頻波導(dǎo)管和脈沖調(diào)制3 個模塊方案設(shè)計和器件選型時兼顧小型輕量化需求，提升了自動調(diào)諧脈沖CO2激光器的小型化系統(tǒng)集成潛力。激光器一體化底板采用鏤空的高硬度鋁合金材料，加強底板強度有利于提升激光器在復(fù)雜環(huán)境條件下的工作穩(wěn)定性。激光器內(nèi)光學(xué)元件均采用了輕質(zhì)鋁合金材料的一體化鏡架，實現(xiàn)了光學(xué)元件的穩(wěn)定、可靠支撐。緊湊型自動調(diào)諧脈沖CO2激光器實物如圖6 所示，重量為18 kg，耗電功率≤200 W。

圖6 緊湊型波長自動調(diào)諧脈沖CO2 激光器實物圖Fig. 6 Photo of compact pulsed CO2 laser with wavelength automatic tuning

4 結(jié) 論

本文面向機載激光差分吸收雷達(dá)對可調(diào)諧脈沖CO2激光器的應(yīng)用需求，研制了機械調(diào)Q、電動轉(zhuǎn)臺驅(qū)動光柵旋轉(zhuǎn)波長自動調(diào)諧的脈沖CO2激光器，介紹了可自動調(diào)諧脈沖CO2激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理。其次，研究了不同通光孔徑斬波扇對激光脈沖波形的影響，獲得了脈沖波形良好的短脈沖激光輸出。然后，研究了激光器自動波長調(diào)諧特性，分析了9P、9R 支激光譜線功率偏低的原因和后續(xù)提升9P、9R 支激光譜線功率的方法。最后，進(jìn)行了緊湊型波長自動調(diào)諧脈沖CO2激光器系統(tǒng)集成。實驗結(jié)果顯示：激光器脈沖寬度為350 ns，峰值功率為3.7 kW，波長調(diào)諧范圍為9.2～10.7 μm，重量為18 kg，電功耗為200 W，基本滿足機載激光差分吸收雷達(dá)的應(yīng)用要求。