（光学专业论文）可调谐tea+co2激光器多频及弱线研究.pdf

摘要 可调谐t e ac 0 2 激光器多频及弱线研究 光学专业 研究生：廖均梅指导老师：李育德 可调谐t e ac 0 2 激光器在许多领域有着广泛的应用。本文针对光栅调谐 t e a c 0 2 激光器的多频和弱线输出开展实验研究和理论分析。 本文对红外激光器、c 0 2 激光器调谐器件作了充分的调研，总结了c 0 2 激 光器调谐器件的应用历史和现状。在此基础上确定了本实验的研究方案。从理 论上分析了可调谐t e a c 0 2 激光器多频和弱线产生的原理和方法。 为了满足多频红外激光分离同位素的需要，采用平行的双光栅腔结构，在 最佳混合气体比例c 0 2 ：n 2 ：h e = 5 = 5 ：2 8 和总压3 8 0 1 3 3 3 p a 条件下，成功 地得到了t e a c 0 2 激光器在常规带的多组双频和三频激光输出。获得的双频组 合包括0 0 0 1 1 0 0 0 的p 支1 1 组、0 0 0 1 1 0 0 0 的r 支8 组、0 0 0 1 0 2 0 0 的p 支8 组，三频组合包括0 0 0 1 0 2 0 0 的r 支7 组。而且每组输出中双频波( 或三频波) 具有良好的空间重叠性和时间同步性，输出波长可调谐且调谐范围较宽，各支 线能量比也具有良好的可调性。激光主要从光栅旁沿近似平行于腔轴的方向输 出，这样的输出方式便于使用和波长监测。经过提高介质增益系数，减小g e 镜透过率等手段可使本激光嚣同时获得三频、四频等输出。该激光器对于分离 同位素有重要意义。实验所得到的双频( 或三频) 激光输出可以满足对一些物 质双频( 或多频) 激发或分离同位素的需要。我们采用的这种t e ac 0 2 激光器 结构比较简单，只用了两个光栅就实现了多频输出，在t e ac 0 2 激光器的实验 研究中，一般要得到三波长输出都采用了三个光栅的激光器，甚至有些是使用 多台激光器迭加实现的，成本要比我们的激光器昂贵许多，显然我们的研究还 是非常有意义的。 t e ac 0 2 激光器在1 1 , u m 波长附近的谱线对于激光等离子体淀积硅膜、研 究硅同位素、较多分子的选择性激发及选择性多光子离解、大气污染物检测都 四川大学硕士学位论文 是很重要的。而且在国内1 1 肌波长附近的弱线( 序列带和热带) 研究是比较少 的。本实验采用双光栅谐振腔和增长放电增益区，进行t e a c 0 2 激光器弱线输 出特性研究。在最佳混合气体比例c 0 2 ；n 2 ：h e = 1 6 ：2 1 ：6 3 和总压4 3 0 + 13 3 3 p a 条件下，获得1 1 研附近弱线( 序列带和热带) 6 条，以及同位素谱线1 条 ( 波长为1 1 0 0 5 n m ) 和另外两条谱线( 波长分别为1 1 0 1 3 n m 和1 1 0 1 5 5 n m ) 。 这六条弱线是0 0 1 1 1 0 带的p 1 7 和0 1 1 0 3 0 带的p 1 9 、p 2 1 、p 2 4 、p 2 5 、p 2 6 。 研究了0 1 1 0 3 0 带的p 1 9 谱线( 波长1 0 9 7 3 5 n m ) 和波长为1 10 1 3 n m 的谱线的 输出特性。谱线脉宽为4 0 0 n s 左右。谱线能量随光栅中心的位移变化而变化， 当光栅中心在放电区中心轴线上时有最大的能量输出。最大输出能量达几百 m j 。 本文成功地研制了一种新型的可调谐t e a c 0 2 激光器，实现了多频和弱线 激光输出，所得实验结果可用于分离同位素等方面。 关键词：t e ac 0 2 激光器，双光栅，多频，弱线，非常规带 i i 摘要 t u n a b l em u l t i - f r e q u e n c ya n dw e a kl i n e ss t u d yo f t e a c 0 2 l a s e r m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：l i a oj u n m e id i r e c t o r ：l iy u - d e t h et u n a b l et e ac 0 2l a s e ri sv e r yu s e f u li nm a n yf i e l d s t h i sp a p e r f o c u s e so nt u n a b l em u l t i - f r e q u e n c ya n dw e a kl i n e so u t p u to ft e ac 0 2l a s e r , a n dt h et h e o r e t i c a ia n de x p e r i m e n t a lw o r kh a sb e e nc a r r i e do u t a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h o r o u g h l yt h et u n ed e v i c e so fi n f r a r e da n dc 0 2l a s e r s a th o m ea n da b r o a d w es u m m a r i z et h ea p p l i c a t i o nh i s t o r ya n dc u r r e n t s i t u a t i o no fc 0 2t u n ed e v i c e s t h e nt h es c h e m eo fg r a t i n gl i n es e l e c t i o ni s c h o s e nt or e a l i z et u n i n go ft e a c 0 2l a s e ri nt h i sp a p e r t h e nw ea n a l y s et h e p r i n c i p l ea n dm e t h o do fo b t a i n i n gm u l t i - f r e q u e n c ya n dw e a kl i n e so u t p u ti n t h e o r y d o u b l e - f r e q u e n c ya n dt r i p l e - f r e q u e n c yo u t p u tl a s e rg r o u p si nr e g u l a r b a n dh a v eb e e no b t a i n e dw i t ha d o i p u o no fap a r a l l e lg r a t i n g g r a t i n gc a v i t ya n d t h ed o u b l e - f r e q u e n c ya n dt r i p l e - f r e q u e n c yl a s e ro u t p u ti s v e r yu s e f u l t o i s o t o p es e p a r a t i o no fm u l t i - f r e q u e n c yi n f r a r e dl a s e r t h ed o u b l e - f r e q u e n c y g r o u p sa r e1 1g r o u p so f0 0 0 1 10 0 0b a n d spb r a n c h 8g r o u p so f0 0 0 1 1 0 0 0 b a n d srb r a n c h 8g r o u p so f0 0 ”1 - 0 2 。0b a n d spb r a n c ha n dt h e t r i p l e - f r e q u e n c yg r o u p sa r e7g r o u p so f0 0 。1 0 2 ”0 b a n d srb r a n c h i no u r e x p e r i m e n te a c hd o u b l e - f r e q u e n c yo rt r i p l e - f r e q u e n c yo u t p u tl a s e rh a sf i n e s p a c eo v e d a pa n dt i m e - s y n c h r o n i z a t i o n a n dt h el a s e ri st u n a b l ew i t haw i d e r e g i o n l a s e ri se x p o r t e db e s i d eo n eo ft h eg r a t i n g sa p p r o x i m a t e l ya l o n g i l l 四j i l 大学硕士学位论文 c a v i t ya x i sa n di t i sc o n v e n i e n tt oa p p l i c a t i o n b e s i d e s ，t h ee n e r g yr a t i o a m o n gl i n e s a l s oh a sw e l lt u n a b l ea b i l i t y t h i sl a s e rc a n g e t o t h e r t r i p l e - f r e q u e n c ya n df o u r - f r e q u e n c yl a s e ro u t p u tt h r o u g ht h em e t h o d so f i m p r o v i n gt h eg a i np a r a m e t e ra n dc a v i t yd e s i g n t h u si t c a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fs o m em a t e n a l s d o u b l e ( o rm u l t i ) f r e q u e n c ye x c i t a t i o na n d i s o t o p es e p a r a t i o n o u rt e ac 0 2l a s e rh a ss i m p l es t r u c t u r ea n do n l yt w o g r a t i n g sa r eu s e dt or e a l i z et h em u l t i - f r e q u e n c yl a s e ro u t p u t i no t h e rt e a c 0 2l a s e re x p e r i m e n t ，t r i p l e - f r e q u e n c yo u t p u ti so b t a i n e db yt h r e eg r a t i n g so r af e wl a s e r s ，w h i c hi se x p e n s i v e o b v i o u s l yo u rs t u d yi sv e r ys i g n i f i c a n t t h e11 , u ml i n e so ft e ac 0 2l a s e ra r ev e r yi m p o r t a n tt os i l i c o nn i m d e p o s i t e db yl a s e r - p l a s m a ，s i l i c o ni s o t o p es t u d y , m u l t im o l e c u l a rs e l e c t i v e e x c i t a t i o n s e l e c t i v em u l t i p h o t o nd i s s o c i a t i o na n da t m o s p h e r i cp o l l u t a n t d e t e c t i o n t h es t u d yo ft h e11 , u r nw e a kl i n e s ( s e q u e n c eb a n dl i n e sa n dh o t b a n dl i n e s ) i s v e r ys h o r ti nh o m e a d o p t i n g t h et w og r a t i n gc a v i t ya n d l e n g t h e n i n gt h eg a i nr e g i o no ft h ed i s c h a r g ec h a m b e r ，w es t u d yt h eo u t p u t c h a r a c t e ro ft h et e ac 0 2w e a kl i n e s w es u c c e s s f u l l yo b s e r v es i xw e a kl i n e s n e a r11 , u m o n ei s o t o p el i n e ( w a v e l e n g t h110 0 5 n m ) a n dt h eo t h e rl i n e s ( w a v e l e n g t h1 1 0 1 3 n ma n d1 1 0 1 5 5 n m ) w i t h1 6 c 0 2 ，2 1 n 2 ，6 3 h ea t t o t a lp r e s s u r eo f 4 3 0 1 3 3 3 p a t h es i xw e a kl i n e sa r et h ep 1 7l i n eo f0 0 1 - 11 0 b a n da n d t h e p l 9 、p 2 1 、p 2 4 、p 2 5 、p 2 6 0 f 0 1 1 - 0 3 0b a n d w e s t u d y t h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i co fp 19l i n eo f0 11 - 0 3 0b a n d ( w a v e l e n g t h10 9 7 3 5 n m ) a n dt h e o t h e rl i n e ( w a v e l e n g t h110 13n m ) t h ep u l s ew i d t ho fw e a kl i n e si s4 0 0 n s a r o u n d w h i l et h ec e n t r eo fg r a t i n gi si nt h ea x i so ft h ed i s c h a r g ec h a m b e r ，t h e m a x i m a le n e r g yo u t p u ta p p e a r s t h em a x i m a le n e r g yi ss e v e r a lh u n d r e dm j t h et u n a b l em u l t i - f r e q u e n c ya n dw e a kl i n e so u t p u to ft e ac 0 2l a s e ri s r e a l i z e d s u c c e s s f u l l y i nt h i s p a p e r , a n dt h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o na b o u t d o u b l e - g r a t i n gc a v i t ya c c o r d sw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t k e yw o r d s ：t u n a b l et e ac 0 2l a s e r d o u b l eg r a t i n g 。m u l t i f r e q u e n c y ，w e a k i i n e ，i r r e g u l a rb a n d 学位论文版权使用授权书 声明 本人声明所呈交的学位论文可调谐t e ac 0 2 激光器多频及弱线研 究是本人在导师李育德教授指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归四川大学所有，特此声明。 学位论文作者签名：廖均橘 签字日期：2 - 抛 年j 月2 8e l 导师一李锵一期：刁年，脚日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解四川大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权四川大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彦均礴签字日期：2 口口7 年t - 月。日 导师签名砖钎象飙刁年，删日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：阀，- l 大孽锦讧芬税电话：粥幻一7 6 p 。p ，6 通讯地址：囚，l l 彭| i 锦讧大道j 暑 邮编：6 上。彩p 1 绪论 1绪论 1 1 红外激光器调谐器件国内外状况 可调谐激光技术，在科学技术和国防建设上具有十分重要的意义【。3 j 。可调 谐激光器是各种激光光谱研究的主要技术设备，也是光学、光电子学、医学、 生物学等研究的重要光源。在军事上，可调谐激光器将是未来光电子对抗的重 要光源之一，如激光雷达、激光通信、激光水下探测，激光遥感、激光致盲等。 它们在激光化学、激光分离同位素、激光全息、环境保护、大气污染检测技术、 光通讯、光学图像的传送及加强【4 】中都有广泛的应用。 1 1 1 可调谐激光器概述 我们通常所用的激光器，多属固定波长激光器，也就是说，一台激光器发 射的激光中，仅含有一个或几个固定波长的激光。输出波长可以在一定范围内 ( 即宽光谱间隔内) 连续改变的激光器称为可调谐激光器；如果在激光输出中 有多个波长可连续调谐，则称为多波长可调谐激光器 5 1 。 可调谐激光器一般分为两大类同：一类是基于介质的宽带发射光谱加上波长 选择技术( 选频技术) ，来实现波长可变的可调谐激光器，如染料激光器、可调 谐准分子激光器、高压气体激光器、固体过渡金属离子激光器、色心激光器、 可调谐半导体激光器和自由电子激光器等；另一类是对某一固定波长激光( 也 可以是一可调谐激光的波长) ，通过非线性光学的光参量过程，而得到波长连续 可调的光参量激光技术，如光参量振荡技术、光参量放大技术，以及其它变频 技术( 可调谐的倍频、和频、差频和喇曼移频技术等等) 。 各种可调谐激光器的可调谐范围，如图1 1 所示。可调谐激光器按可调谐波 长范围可分为紫外、可见和红外可调谐激光器。准分子激光器在紫外光谱区， 染料激光器在紫外3 3 0 n m 到近红外1 8 5 p r o 相当宽的区域1 5 j ，各种固体可调谐 激光器主要在近红外区，高压气体在中红外区，半导体激光器在红外区，而各 种光参量调谐技术，可能覆盖由紫外到红外的广阔光谱区，但每一种晶体或相 关技术，也只能覆盖有限的可调谐光谱区。 四j i l 大学硕士学位论文 和频( 混频) 差频 染料色心高胝气体 。 h 卅h 叫h _ 卅 准分子参量振荡 h - - - - 卅h - - - - - - - - - - - - - - - - - 叫 半导体 同体 - 卜- - - - - - 叫 i山山山l j【jluiu iu山u 0 10 5151 0 5 01 0 0 钆帆 图1 1 各种可调谐激光器的调谐范围 1 1 2 激光调谐 所谓激光调谐i s ，是指激光在增益介质发射谱带宽范围内，实现激光频率f 波 长) 连续可变的技术，也称连续可调谐技术，简称调谐技术。 波长选择的可调谐激光器除了具有一般激光器的三个基本组成部分( 工作 物质、激光谐振腔和激励装置) 之外，还需要有波长选择、调谐的功能。也就 是在激光器谐振腔内插入色散元件或采用色散元件作为腔镜，由色散元件在增 益介质所允许的光谱范围调整谐振频率，增大对其它频率光波的损耗，抑制其 振荡，仅剩下所选频率光波振荡，从而使激光器获得可调谐激光输出。波长选 择的可调谐激光器应用的激光介质，必须具有宽带光剖丌，从而使波长在一定范 围内可调谐。 国内外红外可调谐方法主要有【8 】棱镜色散、光栅选支、法布里一珀罗标准具 选频、滤光片( 声光可调谐滤光片，电光可调谐滤光片，机械可调谐双折射滤光 片等) ，分布反馈系统调谐法，以及它们之间进行组合的调谐方法。 1 1 3 红外调谐器件介绍 1 1 3 1 棱镜 1 9 7 1 年，m y e r s 最早将棱镜应用于脉冲染料激光器进行激光调谐嘲。棱镜 i 绪论 不仅是一种常用光束变柬器件，而且也是一种重要的调谐元件和线宽压窄元件 i s 。常用于染料激光器、固体激光器等。 1 1 3 2 光栅选频 光栅是一种高分辨率色散元件，属于光相干衍射元件。众多具有系列分立 谱线输出的激光器，像c 0 2 、c o 、n 2 0 、分子远红外、染料、半导体以及光纤 激光器等可调谐激光器，常常使用光栅作为选频调谐元件。 当激光波长是在中红外时，难以找到满意的色散棱镜，这时不得不使用光 栅。在紫外、x 一射线波段就更是只有使用光栅【9 l 。 1 1 3 3 法布里一珀罗干涉仪( 标准具) 2 0 0 3 年，赵洪霞【10 】将法布里一珀罗干涉仪接入光纤激光器谐振腔内，同时 利用压电陶瓷调节干涉仪光程差，在1 5 6 2 2 4 n m 波段得到可调谐多波长激光输 出。 1 1 3 4 双折射滤光片 1 9 7 3 年，y a r b o r o u g h 等人【”】第一次将双折射滤光片以布儒斯特角斜置于 激光谐振腔内，以双折射滤光片的面法线为轴转动双折射滤光片，实现了对染 料激光的波长调谐。 1 1 3 5 偏振调谐 2 0 0 2 年，南开大学现代光学研究所杨石泉【12 】报道了一种波长调谐范围达 4 5 n m 的l 一波段环形腔掺铒光纤激光器。利用偏振调谐的方法，可以使该激光 器的工作波长在1 5 6 0 n m 到1 6 0 5 n m 范围内调谐。 1 1 3 6 光参量输出 能够获得可调谐相干辐射的光学参量振荡器已有3 0 年的研究历史【1 3 1 。通过 改变晶体温度，改变相对晶轴的传播方向( 即改变角度) ，在晶体上外加电场或压 力，或者这些方法的结合，就能改变晶体的折射率，以获得光参量振荡【4 】。也可 以改变入射泵浦光与信号腔的夹角来实现振荡器的调谐。这种调谐方法的优点 是不需要转动光腔中的非线性晶体。也可用包含非线性晶体的整个腔的转动来 代替上述夹角的改变1 4 】。 1 1 3 7 温度调谐 2 0 0 3 年【1 卅和2 0 0 4 年【1 5 1 ，北京理工大学信息科学技术学院光电工程系赵严 采用激光二极管泵浦单块非平面环形腔n d ：y a g 激光器，用温度调谐方法获 3 四川大学硕士学位论文 得了1 3 1 9 n m 的单频可调谐激光输出。 2 0 0 5 年，陈吉欣 1 6 1 研究了掺y b 3 + 双包层光纤激光器的温度调谐特性。当 光纤的温度从1 3 变化到9 5 时，输出激光的中心波长从1 0 8 4 9 n m 增加到 1 0 9 6 3 n m ，输出激光功率从0 9 5 w 减小到0 5 8 w 。波长的调谐范围为1 1 4 n m 。 1 1 3 8 分布反馈 在染料激光器中，还有采用分布反馈系统作为调谐装置，具有分布反馈的 染料激光在集成光学中将成为非常重要的主动元件【1 7 1 。它是利用折射系数在空 间的周期性变化产生分布反馈结构，或由染料溶液中增益在空间的周期性变化 产生分布反馈结构。 1 1 3 9 电控调谐1 1 7 j 电控调谐能迅速地调谐激光器的输出波长。用电控调谐波长的方法分三个 方面：通过改变外加电压使激光腔部件微动而完成调谐的电一机械技术；通过 声波与腔内激光束相互作用来完成调谐的声光调谐法：以及利用自然界最快的 电一光效应的电光调谐技术。 声光调谐不用机械微动部件，而是用晶体产生的声波来调谐。 电一光调谐技术是在激光器共振腔内安置电一光滤波器或偏转器。 1 1 3 1 0 其它调谐方法 实现半导体激光器波长调谐，主要通过二种途经【18 l ：第一种方法是通过改 变半导体材料的合金的成分而使其发射波长得到改变；第二种方法是改变激光 器的外界因素，如通过圆球器件的压力、温度、电流、磁场的改变来实现对其 输出波长的调谐。2 0 0 5 年，李发泉【19 】通过调节半导体激光器的温度和电流，调 谐半导体激光器的输出波长。 一般说来，半导体激光器广泛用于红外区的线性激光吸收光谱学的研究中。 实地应用方面，已用来探测大气污染。这是由于它的激射波长恰好处于各种公 害气体的吸收光谱区，因此，常用来作测污雷达的光源。 1 2 c 0 2 激光器调谐器件国内外状况 c 0 2 激光器是转换效率最高、输出功率最大，可调谐的既可连续工作又可 脉冲工作的最常见、最重要的分子气体激光器之一。它在激光医疗、工业) j u t - 、 军事、大气无线光通讯、大气监测、同位素分离、激光化学、激光雷达、光抽 4 绪论 运远红外【挣固【3 】等许多领域有着广泛的应用。 1 9 6 4 年，美国的p a t e | 【2 3 】研制成功第一台电激发脉冲c 0 2 激光器。 1 9 7 0 年，加拿大的b e a u l i e u 2 4 等人首次报道了均匀激励并且能在大气压下 实现稳定辉光放电的脉冲t e a f r r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e d c - - p r e s s u m ) c 0 2 激光器，其单脉冲能量为1 5 0 m j ，脉冲峰值功率为0 5 m w 。脉冲t e ac 0 2 激光器具有大宽带、高峰值功率输出、大脉冲能量、高效率、低制作和运转成 本等特点i “。 c 0 2 气体激光器是一种气体分子激光器，它利用c 0 2 分子的振动能级跃迁 获得激光输出。由于c 0 2 分子的振动能级还具有非常重要的转动能级，因此， 可以在8 1 8 z m 波长范围内获得2 0 0 多条振一转跃迁谱线输出，具有相当宽的调 谐范围。 虽然有很多条荧光谱线，但在激光器中能同时形成激光振荡的只有几条， 这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近，能级转移很快 ( 1 0 7 - 1 0 s ) ，一旦某一转动能级上的粒子跃迁后，其他能级上的粒子就会立 即按b o l t z m a n n 分布转移到这个能级上来，而其他能级上的粒子数就相应减少， 这就是转动能级的竞争效应【2 叼。如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大， 那么这条谱线就会首先起振，而同时抑制其它谱线的振荡。波长为1 0 6 , u m 附 近的1 0 p ( 2 0 ) 等几支谱线的增益最高，因此通常的c 0 2 激光器输出波长为 1 0 6 p m 。通过采用频率调谐技术，可以实现在8 1 8 p m 范围内的选线振荡输 出。 为了在特定波长上获得激光输出，必须使用一个具有波长选择能力的谐振 腔。这种谐振腔通常是在普通的谐振腔中加入一个。波长选择器”来构成。波长选 择器的作用是增加不需要波长的损失来抑制它们的竞争，从而获得单一波长的 输出。为了使谐振腔具有良好的波长选择性能，通常使用棱镜、光栅、具有大 色差的透镜、法布里一珀罗干涉仪、各种滤光器、声光元件、偏振元件等来构 成波长选择器1 2 7 删或采用注入锁定的办法来调谐。其中最常用的方法是光栅调 谐。 目前，国际上在可调谐t e ac 0 2 激光器研制方面已经报道的代表性工作主 要有俄罗斯a i k a r a p u z i k o v 等【3 4 】研制的光栅选支t e ac 0 2 激光器，在9 r 、9 p 、 1 0 r 、1 0 p 四个分支的多条谱线上均实现了激光输出，在上述每一分支的最强线 四川大学硕士学位论文 输出能量分别达到8 8 j 、7 8 j 、6 8 j 、7 9 j ，重复频率最高为2 h z ，该激光器适 用于远程激光差分吸收雷达中。国内曲彦臣等【3 】在重复频率快调谐t e ac 0 2 激 光器方面做了较多工作，所研制的激光器输出能量3 0 - 1 0 0m j ，重复频率1 0 0 h z 。中国科学院的万重怡、吴谨、谭荣清等在c 0 2 激光器( 特别是高重复频率可 调谐t e a0 0 2 激光器) 调谐方面作了大量实验和理论工作，对各种调谐方法作了 研究，采用光栅选线的方案，实现了平均功率千瓦级的t e ac 0 2 激光调谐输出 i 碉，吴谨研究了高功率t e ( a ) c 0 2 激光器的调谐理论 3 0 3 。 目前，国外采用的快速调谐方法有旋转多面体光栅法【3 7 】、电流计控制光栅 法【3 8 】、多面体旋转棱镜+ 固定光栅法【3 9 】。国内有单片机控制高频步进电机旋转 光栅法嗍，利用直驱交流伺服电机驱动光栅旋转，并采用光栅定位同步触发技 术的快速调谐方法1 4 l j 等。快速调谐方案具有如下优点：调谐范围大，可实现整 个c 0 2 激光谱线范围内任意两支谱线的快速调谐；可输出较高的平均功率和脉 冲峰值功率；结构简单，使用方便，稳定性好；定位精度高，集成化程度高。 1 3 c 0 2 激光器调谐器件应用历史和现状 1 9 7 3 年，a j a l c o c k 采用n a c i 标准具、n a c i 棱镜、滤光器和光栅作为 调谐元件，在1 5 个大气压下实现了t e a c 0 2 激光器的调谐输出1 4 刁。 1 9 7 5 年，m a xk e l l e 一4 3 】在c 0 2 激光器中也采用光栅和滤光器作为调谐元件。 1 9 7 6 年，r a l p h r j a c o b s l 4 4 在c 0 2 激光器中用光栅和偏振器( k r s - - 5 板) 作为调谐元件。 1 9 7 7 年，r gh a r r i s o n 【4 司在t e ac 0 2 激光器中采用光栅作为调谐元件， 实现了时间同步的可调谐双波长激光输出。 1 9 7 7 年，y u 1 b y c h k o vm 研究了c 0 2 激光器在1 - 1 0 a t m 范围内的工作 特性，也采用光栅作为调谐元件。 1 9 7 8 年，y u i b y c h k o v 口8 】用光栅实现了高功率c 0 2 激光器在很宽频率范 围内的调谐。 1 9 8 0 年，s l c h i u 四l 总结了多种产生单纵横模可调谐t e ac 0 2 激光的方 法：在腔内加f p 标准具：在腔内加饱和吸收池；连续波低气压c 0 2 激光放 电室放入另一个腔内，激光腔由光栅和平面镜组成；将单纵横模( 或连续波单 纵横模) 注入另一个t e a 激光稳定腔( 或非稳腔) 以获得高能量激光输出，其 6 l 绪论 中一种方法中用到了模式耦合棱镜；或用双稳腔( 一个锗平面镜和一个凹球面 镜分别与同一个光栅组成稳定腔) ：或用非双稳腔( 一个凹球面镜和一个凸平面 镜分别与同一个凹球面镜组成非稳腔) 。 1 9 8 4 年，j e r a l dr i z a t i 刚用连续可调高压c 0 2 激光泵浦实现了c h 3 f 拉 曼远红外激光的连续调谐，其中所用的调谐元件是光栅和法布里一珀罗标准具。 1 9 8 5 年，u w e d i n g 【3 1 】研究了2 0 个大气压c 0 2 激光器的调谐特性，所用 的调谐元件也是光栅。 2 0 0 5 年，谭荣清【3 司研究了在高重复频率t e ac 0 2 激光中常用的注入锁定、 低锐度法布里一珀罗耦合腔以及光栅选线等几种调谐方案，认为虽然这几种方 案各有特色，但综合考虑频率调谐特性、稳定性、实用性等因素，光栅选线的 方案最为合适。 总之，c 0 2 激光器中所使用的调谐元件比较多，其中常用的是注入锁定、 低锐度法布里一珀罗标准具和光栅。而光栅调谐又是其中使用最多的有效方法， 也常将光栅与其它调谐元件一起配合使用。 四川大学硕士学位论文 2 基本原理 2 1激光器调谐的各类方法 2 1 1 光栅调谐 m g 图2 1 光栅腔c 0 2 激光器装置图 光栅调谐是重要的常用的调谐方法。 图2 1 是常见的光栅腔可调谐( 选支) 连续波c 0 2 激光器装置图【1 】这种 装置结构的选支系统也应用于其它众多的激光器中，如c o 、n 2 0 、远红外、染 料激光器等。如图所示，由衍射光栅g 和反射镜m 组成的腔为光栅谐振腔，简 称光栅腔，要在光栅腔内形成激光振荡，光栅g 必须具备二种作用： ( 1 ) 具有谐振腔反射镜的反射作用，即对沿轴光线有足够的准直反馈能力； ( 2 ) 具有色散元件作用，即能有效进行不同波长的选择。 光栅腔具有很多优异的性能，除了具有良好的波长选择性之外，还具有其 它优点，例如，在远红外激光器中用作耦合输出。有关光栅腔的理论分析工作 早在1 9 6 8 年就已开展。下面讨论光栅的选支原理和耦合输出形式。 光栅光谱的级次越高，色分辨本领和色散本领就越大。但光强分布却是级 次越低光强越大，特别是无色散的零级占了总能量的很大一部分，这对于光栅 的应用是很不利的。闪耀光栅可克服这一缺点，使光能量几乎全部集中到所需 要的某一非零级光谱上去吲。 可调谐0 0 2 激光器中的调谐器件一般采用闪耀光栅，该光栅为反射型衍射 光栅。它能承受的腔内连续功率密度高达1 0 3 w c m 2 ，脉冲功率密度约 1 0 7 w c mn 【3 】。以抛光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为光栅基底材料，用楔形 钻石刀头在其表面刻划出一系列等间距的锯齿状槽面，其表面刻线如图2 2 所 2 基本原理 示。光栅槽面与光栅( 宏观) 平面之间的夹角，或者说它们的法线n 和n 之 间的夹角岛，称为闪耀角【4 l 。闪耀角的大小可由刻制时刀口的形状来控制。 闪耀光栅的特殊之处在于它的刻槽面与光栅平面有一角度岛，这使得单个 槽面衍射的中央极大和光栅的零级主极大分开，从而使光能量从零级主极大转 移并集中到某一非零级光谱上去。 图2 2 闪耀光栅的槽线形状 图2 3 光栅调谐腔 r ：反射镜；m ：激光介质；g ：光栅 g 光栅腔中的光栅是具有定向衍射能力的自准直光栅一一通常称为利特罗 ( l i t t r o w ) 光栅。波长为a 的单色光，以i 角入射到光栅常数为d ( 光栅常数定 义为相邻刻痕间距离) 的衍射光栅上时，衍射光的方向由光栅公式描述。 d ( s i n f + s i n r ) = 埘名m = o ，1 ，2 ， ( 2 1 ) 式中为光栅衍射级，i 是入射光线与光栅法线的夹角，定义为正的，r 是 衍射角，为衍射光线与光栅法线的夹角，与f 位于法线同一侧时为正，否则为负。 埘= 0 时的衍射，称为零级衍射，这时i = 一，相当于平面镜反射的情形，对任 9 四川大学硕士学位论文 何光栅，零级衍射总是存在的。 光栅作为谐振腔的反射镜，显然对光栅腔有意义的是能沿入射光反向衍射 的衍射级，即i = r 的衍射级，这时( 2 1 ) 式改写为 2 d s i n i = 脚，五 ( 2 - 2 ) 满足这种条件时，称为光栅的自准直结构或者l i t t r o w 结构【5 1 。式中埘和a 的下 角标。，”表示自准直结构，对于给定波长丑，通过改变光栅常数d 值，总可以找 到满足( 2 - - 2 ) 式的自准直衍射级脚，。但这时在光栅的衍射光中，除了自准直 m ，级外，还存在由( 2 - - 1 ) 式所描述的非自准直衍射级，对腔来说它们依然是 一种损耗，因此，入射到光栅上的光能量，只有一小部份按原路返回，大部份 能量变成了损耗。如果出现的衍射级m 越多，则损失越大。为使损耗减到最小， 希望所有衍射光的能量都集中于朋，级，或衍射光只有啊这一个衍射级， 最好 衍射级只有一个。我们知道，零级衍射是不可避免的损失。h a r d 同证明了当 1 5 a , d 0 5 元 ( 2 3 ) 时，可保证光栅方程只有零级损失和一级自准直反馈解( 一级衍射) 的存在， 并且让入射角按1 9 5 0 - 9 0 0 入射时，这样由于其它衍射不出现可将损失减小到 最小限度。 此时( 2 2 ) 式变为 ： 2 d s i n i = 见( 2 4 ) ( 2 3 ) 式是选择光栅常数d 的判据，即d 若选取由判据所限定范围内的值 时，光栅腔的调谐角i ( 即光栅腔光轴与光栅法线的角度) 与振荡波长元之间的 对应关系由( 2 4 ) 式描述。 任何可调谐激光器都有自己特定的输出激光频谱区域，设其起始波长为五， 终止波长为丑，显然，根据( 2 - - 3 ) 式只要光栅常数d 取值在1 5 2 ， d o 5 丑范 围时，分布于以到丑波段内的所有振荡波长与光栅腔调谐角的对应关系都可用 ( 2 4 ) 式描述1 1 j 我们在实验中所使用的c 0 2 激光器的输出波长范围在9 1 3 u r n 1 1 0 5 t m ， 光栅常数为d 为6 6 7 m ( 1 5 0 线m m ) ，半 6 6 7 半 0 2 基本原理 所以满足1 5 五 d o 5 乃条件，可保证光栅方程只有零级损失和一级衍射的存 在【5 j ，这样就将损失限制到了最小限度。在此波长范围内的所有波长，都存在对 应的光栅调谐方位角i ，它们之间关系用2 d s m i = 五表示。在对应的光栅方位角 i 上，光栅对入射波长为旯的光能量大部分按原路返回，即光栅腔中仅能允许满 足上述关系的光波长作光振荡，要获得其它波长的振荡，就必须改变光栅的谐 调方位角。 为了改善系统的波长选择性能，在波长五z 处相对损失应加大，这点可 以由增加光栅的角色散来做到。由光栅的角色散 6 1 d r ：堡： d 丸d c o s r ( 2 5 ) 若= l ，当d 接近互2 时，自准直级的角色散可以很大。 利用光栅的零级衍射从腔内提取辐射能量，激光器工作在一级衍射振荡，零 级衍射输出状态下，输出光谱线半极大处的半宽度为 ( 2 6 ) 式中是光栅在自准直方向上的反射率，g o 缈) 是振荡谱线的小信号增益系 数，是增益长度，常数4 为 彳：g o ( v ) l - i n 2 ( 1 一) 光栅的缺点是插入插耗大，达1 0 - 3 0 。 ( 2 7 ) 2r 2 2 棱镜调谐 色散棱镜【7 】常被插入腔内作为色散元件，它是利用折射率对波长的依赖关 系，在入射角相同的情况下，棱镜对不同波长有不同的出射角。这样就达到分 离不同波长光波的目的。在谐振腔内使用棱镜应注意两点：首先是出射光到达 腔镜后必须沿原路返回，这称为满足自准直条件。当棱镜转动时，总有某一波 长的光束能够满足自准直条件，使其在激光腔内满足阈值条件而振荡。其次是 四j i l 大学硕士学位论文 为减少反射损耗，入射光必须按布儒斯特角入射，即入射角辞与棱镜折射率刁之 间应满足 t a n 8 = r ( 2 8 ) 且棱镜的顶角a 与入射角房之间应满足 s i n 兰：c o s 伊( 2 9 ) 2 由此可得 s i n 要= 0 7 2 + 1 ) 。1 ” ( 2 1 0 ) 二 其棱镜角就可按上式设计，如图2 4 所示。例如：在可调谐氩离子激光器中， 就是利用色散棱镜作为色散元件同。由于氩离子振荡的各条谐线离得很开，而且 振荡的光谱范围很宽，从紫外一直到可见都有谱线振荡，这是发挥棱镜色散元 件作用的地方，加之它的价格便宜，在满足要求的情况下，无需使用分辨极高 的f p 干涉仪。 色散棱镜 全反射镜 图2 4 腔内色散棱镜 在染料激光器中，棱镜也常被用作调谐元件 8 1 。把一个棱镜放置于谐振腔内， 如图2 5 所示。由于棱镜的色散效应，可以把染料发射的光谱分开，即含有不 同波长的光束通过等腰棱镜后，分别偏转不同的角度，因此，调节谐振腔的结 构形式和棱镜的方位，即可使围绕着欲选波长的波长范围为 z 一丛。2 。2 + 丛的光波，垂直射到腔镜m 2 上，从而会沿原路返回腔内形成 2 。 2 振荡，而界限j 垒生之外的光，则经反射之后即移出腔外。这样，通过环形腔 2 的全反射镜m 2 ，就可以获得波长的连续调谐。 2 基本原理 图2 5 棱镜调谐示意图 2 _ 2 3 法布里一珀罗标准具调谐 f p 标准具的谱线极窄，故常用做具有连续谱带激光器的波长选择器，如 染料激光器和固体激光器等【7 】。但它的缺点是光谱范围小，另外由于上述激光器 的可调谐范围不大，把f p 标准具插入腔内，与腔成布儒斯特角，或镀增透 膜，采用压电陶瓷来改变干涉仪厚度的波长扫描方式，就可透射出不同波长的 光波。 标准具是由两块表面互相平行并镀有多层介质膜的玻璃或石英平板构成， 它的作用相当于一块随波长而变的透射滤波器，用来选频和压窄激光谱线带宽， 入射于标准具的光束在两个面上产生多次反射和透射，根据多光束干涉理论可 知，各反射光束叠加后光强分布取决于各个分光在表面反射时产生的相位变化。 透射光的情况也类似，可以证明第肌级透射的光波长满足如下条件 丑：2 r i d c o s 0 ( 2 - - 1 1 ) ” 州 时，由于相长干涉而具有最大透过率，式中以为标准