采用扫描振镜方式的快调谐TEA CO2激光器

为了研制适用于激光差分吸收雷达(DIAL)的可调谐横向激励大气压(TEA)CO2激光器,利用六温度模型速率方程理论,分析了TEA CO2激光器的动力学特性,计算了激光器的各种输出特性.设计研制了一台高重复频率快调谐TEA CO2激光器,采用共振扫描镜扫描固定光栅的方案实现了激光的快调谐输出.当激光器高重复频率运转时,得到弱支谱线如10P(42)~10P(48)支谱线基横模能量大于100 mJ,脉冲宽度小于100 ns.10P(46)支谱线的远场发散角为2.41 mrad(水平),2.27 mrad(竖直),约为1.6倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms内快速切换输出.     

选频TEA CO2激光器

紫外预电离TEA CO2激光器采用了网状主电板结构，在透明的网电极下方放置五排火花到阵作为紫外预电离源，器件能在1个大气压下多次无孤均匀运转。光栅选频输出范围包括10．4μm带和9．4μm带的P支和R支共80条谱线，四十支的强线单线输出超过4焦耳。     

可调谐TEA CO2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值.TEACO2激光器工作在9～μM的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内.高重复率可调谐的.TEACO2激光器的研制已成为C02激光差分吸收雷达的关键技术.差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式.早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用.随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器.这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化.利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEACO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性.激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化.根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出.设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1w,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区.单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10ms.采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔.TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEACO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ.工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出.激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条.强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ.经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出.     

脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移

当工作气体温度变化时,脉冲TEA CO_2激光器的输出波长也可能发生变化,此现象称为输出波长的温度漂移。通过建立六温度理论模型,用数值计算的方法揭示了平凹稳定腔脉冲TEA CO_2激光器输出波长的温度漂移规律。计算结果表明,这种激光器输出光谱为多谱线结构,工作气体温度升高,激光输出波长向长波长方向移动;工作气体温度降低,激光输出波长向短波长的方向移动。计算结果还表明,激光输出波长随温度的漂移局限在10P支内,没有9μm带与10μm带之间的跨带移动,因此,采用光栅谐振腔,可抑制脉冲TEA CO_2激光器输出波长的温度漂移,稳定激光输出波长。     

二维振镜调谐TEA CO2激光器

报道一种快速调谐TEA CO2激光器。该激光器采取紧凑式Ernst电极,火花阵列放电紫外预电离方式,采用二维振镜扫描衍射光栅的方案实现了激光的调谐输出。激光器可输出谱线75支,其中55支谱线输出能量超过1 J,当激光器高重复频率运转时,10P(20)谱线基模能量大于300 mJ,脉冲宽度约为70 ns。这种激光器可以在10 ms内实现9.2~10.8μm范围内任意两条谱线的调谐输出。     

TEA13C16O2激光器的实验研究

为扩展可调谐TEA CO2激光器的输出波长范围，增加差分吸收雷达可探测的物质种类，采用^13C^16O2代替激光器工作气体中的CO2成分。计算了TEA^13C^16O2激光器在Ⅰ波段两个分支上的小信号增益系数分布。利用平面光栅单色仪，在小型快调谐TEA^13C^16O2激光器的Ⅰ波段共测到了32条谱线的能量输出，输出范围为10.663～11.347μm。与采用普通CO2作为工作气体的情况相比，激光器谱线输出范围在长波长方向上有很大扩展，输出的最长波长由CO2的10.74μm增大到11．347μm。测得TEA^13C^16O2激光器的最高输出能量为107mJ，并给出了Ⅰ波段典型谱线脉冲的半峰全宽。     

一种新型CO-CO_2选支激光器研制成功

1986年底,中国科学院上海光机所研制出一种新型的封离式室温工作CO-CO_2选支激光器,它能同时在CO_2激光器工作波段和CO激光器工作波段调谐输出激光。工作气体为CO-CO_2-N_2-Xe-He的混合气体放电管长为1m,采用适当共振腔结构和选支技术,在5.2～6.3μm和9.2～10.8μm光谱区获得近两百条激光输出,强线功率达数瓦。改变CO_2气体浓度,将同时改变CO和CO_2激光光谱线的相对强度和谱线数目。目前该器件已连续运转超     

高功率TEA CO2激光器9R波段输出谱线

为分析CO2激光9R波段输出谱线特性,满足激光与物质相互作用的需求,首先利用镀膜选支技术使高功率TEA CO2激光器只输出9R波段的激光。然后,通过单脉冲放电试验,利用CO2激光谱线分析仪分析9R波段CO2激光谱线的波长和谱线数量,并利用能量计分析每支谱线在单脉冲能量中所占的比例。通过改变输出镜的透过率、全反射镜的曲率半径以及工作气体的比例,分析CO2激光9R波段输出谱线在波长、数量以及能量比例方面的变化。试验结果表明,CO2激光在9R波段同时输出了多条相邻较近的谱线,并且这些谱线随激光器输出镜透过率、全反射镜曲率半径和气体比例的变化而变化。     

多功能CO2激光器及其应用

研制成功多功能CO2激光器。该激光器输出TEM00高斯基模,输出波长在9.2-10.8μm范围内能够调谐,可以输出9P、9R和10P、10R支跃迁谱带的谱线共计30余条;能够以连续放电方式运转输出连续激光,输出功率5W左右（腔内不加声光调制器时输出25W）,也可以运转在脉冲放电方式输出＂长＂脉冲激光,还可以在连续放电运转条件下经过腔内Q突变方式输出＂短＂脉冲激光;在以脉冲方式工作时,可以选择单脉冲方式输出,也可以选择最高频率为10kHz的重复脉冲,激光脉宽（FWHM）可以在百纳秒至几十毫秒量级范围内变化,最高峰值功率超过数千瓦。该激光器在科研、教学以及激光医学等很多领域都具有实际应用价值。     

不含热池的11μm附近热带连续波CO2激光器实验研究

报道了一种非流动传统型连续波凹面光栅选支CO2激光器,为了得到11μm附近的一些热带谱线输出,在不加CO2热吸收池的情况下,通过采用较大曲率半径的凹面闪耀光栅(闪耀波长10.6μm、曲率半径10m、刻线150mm-1)和适当地增加腔长(4.5m)来提高谐振腔的选支能力。除了得到常规带0001-[1000,0200]Ⅰ,ⅡR(56)至P(56)100多条谱线之外,还得到11μm附近其它谱线16条,其中包括0111-0310谱带7条、0011-1110谱带1条、同位素C13O2160001-1000谱线5条、C13O2180001-1000谱线3条。所有谱线的输出功率均在1.6W以上。     

单、双纵模腔式光泵远红外激光器的实验研究

实验上采用可选纵模的TEA－CO2激光器作泵浦源,用CO2－9R（16）线泵浦小型腔式NHG3远红外激光器,在单、双纵模泵浦条件下均获得波长为90．4μm的远红外谱线。对单、双纵模腔式光泵远红外激光的输出特性和工作气压作了实验比较研究,发现双纵模腔式光泵远红外激光可获得更强的远红外输出,具有较低的最佳工作气压值,并可在较宽的气压范围内工作。     

氟化氢激光长波谱线增益特性研究

通过优化激光器结构参数和调整反应体系配方,实现了传统氟化氢(HF)激光输出光谱向长波的转移和波长大于2.87μm谱线的高效输出。实验和理论结果表明,随着光轴由11mm移至15mm,2P8谱线所占比重不断减小,1P10、2P10等谱线所占比重逐渐增加。HF激光输出谱线存在激烈的谱带内竞争和各谱带间竞争,且在竞争中呈现出一定的级联效应。研究结果拓宽了HF激光实用输出光谱范围,使某些长波谱线得以高效输出,对HF激光选线技术研究及应用具有重要的指导意义。     

光栅选线TEA CO2激光快速调谐实验研究

研制了一种新型的采用直驱交流伺服电机的光栅选线TEA CO2激光器快速调谐系统,进行了一系列实验研究,包括系统调试实验、单脉冲运转调谐实验和快速调谐实验。实验共得到85条调谐输出谱线，单脉冲能量超过10 J的有18条谱线；在动态快速触发情况下，分别在60 ms和20 ms内实现了整个CO2激光光谱范围任意两条谱线和同一个跃迁带内相邻两条谱线的快速调谐输出。该方法可应用于高功率、大范围可调谐TEA CO2激光器的快速调谐，对高功率高重复频率可调谐TEA CO2激光器研制中的快速调谐输出设计具有较高的参考价值。     

非链式脉冲氟化氘激光器光谱特性

为了探索氟化氘(DF)激光器级联效应及工作气体参数对激光光谱的影响,对自引发放电非链式脉冲DF激光器进行了光谱特性测试。采用DF激光谱线分析仪和Hg Cd Te光电探测器测试了P3(7)→P2(8)→P1(9)光谱脉冲波形,发现P1(9)支谱线率先实现振荡输出,脉冲前沿延迟80~100 ns后P2(8)、P3(7)两条谱线依次输出。在不同工作气体配比及总气压条件下测试了DF激光输出谱线条数及各谱线间相对能量,在3.5~4.2μm光谱范围内测得了22条激光跃迁谱线,且总气压为8.1 k Pa,工作气体(SF6和D2)气压配比为6:1时,具有量子级联效应的P3(8)→P2(9)→P1(10)光谱串能量占总输出能量的25.9%。结果表明,多谱线DF激光器能级间存在量子级联效应,通过优化工作气体参数可有效提升级联谱线输出时增益提取效率。     

基于Pulser/Sustainer技术的可调谐长脉冲TE CO2激光器

采用光栅谐振腔,对一台基于Pulser/sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究.在增益体积为1.17 L,激光混合气体体积比V(CO2)∶V(N2)∶V(He)=1∶5∶19,工作气压为30 kPa条件下,实验测量了75条激光谱线的输出脉冲能量和脉冲宽度(半高全宽,FWHM),结果表明,相同的激励条件下,不同的激光波长,激光输出脉冲宽度有所不同.通过仔细观察比较四条主要谱线(9R(20),9P(20),10R(20),10P(20))的激光输出脉冲波形随放电电压、放电脉宽以及气体成分配比等的变化情况,说明基于pulser/sustainer技术激励的长脉冲可调谐TE CO2激光器的激光输出脉冲宽度随调谐波长的不同而变化.简单实验分析表明,谱线增益的变化可能是引起谱线输出脉冲宽度不同的主要原因.     

室温封离型TEMooCO激光器

对于半共焦腔结构的封离型CO激光器，采用自孔径选模方式设计放电管口径，成功地实现了基模运转，在CO、Xe、He3组分工作气体情况下，输出功率9．4W，波长5．5μm。研究了不同气体成分配比对输出功率的影响。实验中发现，当加入一定比例的O2时，将产生CO2激光谱线10P20和10R18。     

TEA CO_2激光泵浦NH_3 12μm MIR激光的实验研究

本文从激光参数优化角度出发,对TEA CO_2激光泵浦12μm NH_3激光器的两条谱线进行了实验研究,给出了泵浦能量、工作气体压强及混合气体比例对12.08μm及12.81μm激光输出能量的关系曲线。实验结果表明。加入缓冲气体N_2后,12.08μm激光的最佳输出能量达102mJ(脉冲输出功率达1×10~6W)。     

高功率双波长切换输出脉冲CO2激光器

随着高功率脉冲CO2激光器的不断发展,在工业加工、科学研究等领域的应用日趋增多,对波长选支输出的要求也不断增加。例如,在研究激光与物质相互作用时,人们不仅需要输出10.6μm波长激光,还需要输出9.3μm波长激光,以研究在相同输出功率（能量）下不同波长激光对物质的作用效果。     

医用二氧化碳激光器波长问题的研究

从医疗应用的角度出发，研究二氧化碳激光器输出的激光波长不在10．6μm附近的问题。通过理论分析和实验研究证明二氧化碳激光跃迁谱线是丰富性的，在9μm到11μm之间，并对二氧化碳激光治疗机在激光波长参数上的控制提出了建议。     

低锐度F—P干涉具调谐TEA CO2激光器理论分析

从理论上计算了低锐度F-P干涉具有直接输出耦合调谐TEA CO2激光器的输出特性，结果表明：通过改变干涉具的间距，激光器的输出波长可在9μm带和10μm带之间切换；而且，输出一般为多波长，每个波长包含精细纵模结构，纵模的数目和谱线展宽有关，理论计算还给出了输出脉冲波形和脉冲能量随波长的分布。