增益开关型高重复频率脉冲CO2激光器

摘要

一种增益开关型高重复频率脉冲CO2激光器,包括球面反射镜31、部分透射输出镜32、纵向脉冲放电管33、冷却套34、阴极35、阳极36及接在阴极35和阳极36上的高重复频率窄脉冲发生器37。本发明结构简单,性能可靠,可广泛应用于目标探测、激光跟踪、污染探测和激光参量测量等领域。

说明书

本发明属于激光器，特别是一种扩散冷却的增益开关型高重复频率脉冲CO₂激光器。

为了产生高重复频率、窄脉冲(微秒或亚微秒级)CO₂激光，通常采用两种技术。第一种技术是TEA(横向激励大气压)CO₂激光器。TEA激光器工作在大气压或亚大气压下，采用高电压横向脉冲放电激励，产生窄脉冲激光。为了实现高的脉冲重复频率，必需采用对流冷却技术，激光腔体内的循环气流装置使激光气体横向流过放电激活区(激光增益区)，放电产生的热气体被输送到热交换器中冷却后再输送回放电激活区。第二种技术是Q开关CO₂激光器。此类激光器采用低气压连续放电激励。激光谐振腔的Q值可周期地发生突变，从而产生周期的窄脉冲激光。Q开关的方式有机械转镜、电光Q开关或声光Q开关等。上述两种技术本身存在各自的缺点，例如高重复频率TEACO₂激光器需要一套复杂的气体循环冷却系统。Q开关CO₂激光器需要一套复杂而昂贵的Q开关装置。见文献绿川克美、田代美夫，日本激光研究，第21卷第4号第462页，平成5年4月(1993)；W.Fuss,Eta1App1.Phys.B55 65-70(1992)。

本发明的目的是提出一种小型化、便携式的激光探测系统。

本发明的主要特点是包括球面反射镜31、部分透射输出镜32、放电管33、冷却套34、阴极35、阳极36，激励脉冲发生器37接在阴极35和阳极36上，其脉冲宽度为微秒级。

本发明结构简单、性能稳定可靠，可广泛用于目标探测、激光跟踪、污染探测及激光参量测试。

附图说明

图1是高重复频率TEACO₂激光器原理图。

图中11-激光器腔体 12-主放电电极 13-预电离火花针阵列14-热交换器 15-切向风机 16-导流板

图2是采用转镜的Q开关CO₂激光器原理图。

图中21-放电阴极 22-放电阳极 23-放电管 24-布鲁斯特窗25-激光输出镜 26-Q开关转镜 27-冷却套

图3是本发明的原理图。

图中31-球面反射镜 32-部分透射输出镜 33-纵向放电管 34-冷却套 35-阴极 36-阳极 37-高重复频率微秒高电压脉冲发生器

图4是本发明原理的各种波形。

图中A-电激励功率的脉冲波形 B-在无激光谐振腔的条件下激光能级的集居数反转浓度与时间的关系。由于激光的小信号增益与集居数反转浓度成正比，因此该曲线也代表了激光增益的时间关系 C-在有激光谐振腔时集居数反转浓度与时间的关系，图中曲线的急剧下降部分表示谐振腔中激光场强度急剧上升后引起激光增益饱和 D-激光脉冲输出波形，图中激光脉冲急剧上升部分正好与C图中增益饱和区相对应。

图5是本发明的一个应用实例图

图中51-球面全反射镜52-部分透射输出镜53-陶瓷放电管54-金属或塑料冷却套55-阴极(或阳极)56-阳极(或阴极)57-小型脉冲电源

下面结合附图3详述本发明。本发明的激光器中激光气体的气压在中等气压范围，一般是3*10³P_a-1*10⁴P_a，采用小口径纵向放电管，其管径为10mm-2mm，扩散冷却，高重复频率快脉冲放电激励以产生高重复频率、窄脉冲激光，其重复频率为1KH_z-20KH_z。本发明采用高电压快脉冲激励，其脉冲宽度在微秒范围，其脉冲宽度为0.1μs-5μs，加之适当地选取激光工作气体的气压和放电管的口径，可使激光能级集居数能在微秒或亚微秒时间间隔内迅速地形成，该时间间隔与激光谐振腔内的激光光场的形成时间相当，因此可以产生“增益开关型”的窄脉冲激光。

下面给出本发明的一个实施例。图3中，纵向放电管33和冷却套34由玻璃或石英制成。全反射球面镜31是硅基底镀金及介质高反射膜。部分透射输出镜32由ZnSe、GaAs或Ge半导体红外材料制成。脉冲发生器37是闸流管为开关元件的脉冲调制器，重复频率为1KH_z-20KH_z，脉冲放电宽度为0.5μs。激光气体为CO₂、N₂和H_e气的混合物。该激光器将能输出脉冲宽度为微秒级高重复频率激光，其重复频率与脉冲调制器的重复频率相同。

图5是本发明的另一个实施例。放电管53为金属陶瓷封接结构，由两段放电管串联组成，放电管53两端阳极56(或阴极)接地，阴极55(或阳极)直接与小型开关半导体脉冲电源57联接。冷却套54是塑料或金属。其它技术指标与图3实施例相同。