（物理电子学专业论文）光栅选线tea+co2激光快速调谐技术研究.pdf

摘要 高功率高重复频率快速调谐t e ac 0 2 激光器在激光大气探测、激光加工、激光 化学等领域具有广泛的应用前景，本文围绕光栅选线t e ac 0 2 激光快速调营技术中的 若干关键技术问题，开展了理论和实验研究工作。 本文在对c 0 2 激光器快速调谐技术的国内外发展动态和关键技术问题充分调研 的基础t ，介绍了可调谐t e ac 0 2 激光器的基础理论，对采用光栅选线实现t e ac 0 2 激光器快速调谐的技术方案进行了分析与论证。 本文首次采用直驱交流伺服电机驱动光栅高速旋转和精确定位，利用运动控制卡 和高精度光电编码器实现了位置控制闭环直驱交流伺服系统，可对光栅的精确转动位 置实时探测，并设计和调试了调谐触发控制电路和系统运行控制软件以协调控制光栅 转动和激光器的同步触发。同时为了缩短调谐时间，我们提出并采用了光栅定位同步 触发技术，减小了因光栅多次快速肩停而造成的定位误差，从而实现了光栅选线t e a c 0 2 激光器的快速调谐输出，共得到8 5 条调谐输出谱线，单脉冲能量超过1 0 j 的有 1 8 条谱线，在动态快速触发情况下，分别在6 0 m s 和2 0 i l l s 内实现了整个c 0 2 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调谐输出。 本文成功实现了光栅选线t e ac 0 2 激光快速调谐输出，该方法可应用于高功率， 大范围可调谐t e ac 0 2 激光器的快速调谐，对高功率高重复频率可调谐t e ac 0 2 激光 器研制中的快速调谐输出设计具有较高的参考价值。 关键词：t e ac o ：激光器；快速调谐；光栅选线；直驱交流伺服电机 i n v e s t i g a t i o no nr a p i d l yt u n a b l et e c h n o l o g yo fg r a t i n gl i n es e l e e t a b l e t e ac 0 2l a s e r s c h e n gy o n g q i a n g ( m a j o ri np h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rt a nr o n g q i n g a b s t r a c t h i g hp o w e rh i g hr e p e t i t i o nr a t er a p i d l yt u n a b l et e ac 0 2l a s e r sh a v ew i d e l ya p p l i c a t i o n si n l a s e ra t m o s p h e r ed e t e c t i n g ，l a s e rm a c h i n i n g ，l a s e rc h e m i s t r ya n ds oo n t h i sp a p e rf o c u s e s o ns o m e k e yp r o b l e m s i n t h er a p i d l y t u n a b l e t e c h n o l o g yo f g r a f i n g l i n es e l e e t a b l e t e a c 0 2 l a s e r s ，a n dt h et h e o r e t i c a la 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 r e ri n v e s t i g a t i n gt h r o u g h l yt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fr a p i d l yt u n a b l e t e ac 0 2l a s e r sa th o m ea n da b r o a d t h et h e o r yf o u n d a t i o no ft u n a b l et e ac 0 2l a s e r si s i n t r o d u c e d ，t h es c h e m eo f g r a t i n gl i n es e l e c t i o ni sc h o s e nt or e a l i z er a p i d l yt u n i n go f t e a c 0 2l a s e r s ，t h et e c h n o l o g ya n ds c h e m ei sa n a l y z e da nd i s c u s s e d t h ed i r e c td r i v ea cs e r v o m o t o ri s f i r s t l 3 ru s e dt o d r i v eh i g h - s p e e dr o t a t i n ga n dp r e c i s e o r i e n t a t i o no ft h eg r a t i n g t h ep o s i t i o n a lc l o s e dl o o pd i r e c td r i v ea cs e r v es y s t e mi s r e a l i z e dw i t ht h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h eh i 吐p r e c i s i o np h o t o e l e c t r i ce n c o d c r t h e p r e c i s er o t a t i o n a lp o s i t i o no f g r a t i n gi sd e t e c t e di nr e a l - t i m e t h et r i g g e r i n gc o n t r o lc i r c u i t a n dc o n t r o ls o f t w a r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e da n dd e b u g g e dt om a t c ht h er o t a t i n go ft h e g r a t i n ga n dt h es y n c h r o n o u st r i g g e r i n go f t h el a s e r a tt h es a m et i m e 。i no r d e rt os h o r i c nt h e t u n i n gt i m e ，t h ep o s i t i o ns y n c h r o n o u st r i g g e r i n gt e c h n o l o g yo f t h eg r a t i n gi sp r o p o s e da n d a d o p t e d t h eo r i e n t a t i o ne r r o rc a u s e db yt h ef t e q u e n t l ys t a r t i n ga n ds t o p p i n go ft h eg r a t i n g i sd e c r e a s e d t h ep o s i t i o n a lp r e c i s i o ni si m p r o v e da n dt h er a p i d l yt u n a b l eo u t p u to f g r a t i n g i i n es c l e c t a b l et e ac 0 2l a s e r si sr e a l i z e d ，8 5l i n e so f t u n a b l eo u t p u ti so b t a i n e d ，t h ee n e r g y o f1 8l i n e si sm o r et h a n1 0 j i nt h er a p i d l yt r i g g i n ge x p e r i m e n t ，a m o n gt h e m ，t h et u n a b l e o u t p u to f t w or a n d o ml i n e so f t h ew h o l ec 0 2 l a s e rs p e c u u ma n d t w oa d j a c e n tl i n e so f t h e s a m et r a n s i t i o nb a n di sr e a l i z e dr e s t m e t i v e l yi n6 0m sa n d2 0m s t h em p i d l yt u n a b l e o u t p u t o fg r a t i n gl i n es e l e e t a b l et e ac 0 2l a s e r si sr e a l i z e d s u c c e s s f u l l yi nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yw i l lb eu s e di nr a p i d l yt u n i n go f h i g hp o w e rw i d e s p e c l r u mr a n g et u n a b l et e ac 0 2l a s e r s ，i th a sm o r er e f e r e n c ev a l u et od e s i g na n dd e v e l o p t h er a p i d l yt u n a b l eo u t p u to f t h eh i 曲p o w e rh i 曲r e p e t i t i o nr a t et u n a b l et e ac 0 2l a s e r s k e y w o r d s ：t e ac 0 2l a s e r ；r a p i d l yt u n i n g ；g r a t i n gl i n es e l e c t i o n d i r e c td r i v ea cs e r v o m o t o r i i 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进 行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方 外，学位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 获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的 材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签 名：昶永短日期：如易年 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的 规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件 与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位 论文：电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子所可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：求永；幺日期炒季少乡 别磁轹秘飙2 0 0 日 第一章引言 第一章引言 1 1 论文背景 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。可调谐激光器是 各种激光光谱技术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，尤其是近几年来高功率可调谐c 0 2 激光器在激光雷达、环境远距离探测、 大气侦毒、测污等方面有着广泛的应用。随着现代工业的发展，大气污染变得愈来愈 严重。由于激光的单色性好、相干性好、方向性高、高亮度和大功率等特点，激光差分 吸收雷达( d f i e r e n t i a la b s o r p t i o nl i d a r ( d i a l ) ) 是遥测大气中微量有毒气体和污染气体 的一种有效工具。c 0 2 激光器因为具有良好的波长可调谐性，波长在9 1 1t u n 范围的 谱线多达1 0 0 多条，大气污染物种类多，在c 0 2 激光光谱区范围内有许多强烈的吸收 峰，故可调谐t e a ( t r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e r i c ，横向激励大气压) c 0 2 激光器是 激光差分吸收雷达的理想光源。但是，为了能够在大气“冻结”时间内发射两束不同波长 的激光，得到精确的测量结果，同时也为了能够以自动扫描方式快速得到一个区域的 大气测量结果，这就要求t e a c 0 2 激光器能重复频率工作和快速调谐。 目前，c 0 2d i a l 使用的激光光源有两种形式：种是用两台或多台固定波长或 可手动调谐的c 0 2 激光器，发射两束激光的时间间隔约l o o p s 。但因其体积庞大，实 用化受到一定限制【2 i ；另一种形式是采用单台可调谐的c 0 2 激光器，实现两束激光快 速切换输出。d i a l 光源的发展趋势是使用一台快速调谐激光装置，其在控制、体积、 成本等诸多方面能够满足实际应用的要求。常用的t e ac 0 2 激光快速调谐技术主要 有旋转多面光栅法 3 1 、振镜+ 固定光栅法 4 1 、多面体旋转棱镜+ 固定光栅法【5 】、单片机 控制高频步进电机旋转光栅法同等。t e a c 0 2 激光快速调谐系统具有如下优点：波长 切换速度快；使用方便，系统体积小，重量轻，集成化程度高。其在实际应用中有重要意 义： ( 1 ) 在民用领域，t e ac 0 2 激光器快速调谐系统与已趋于成熟的光学发射天线技术 和数据处理技术相结合，就可以制成c 0 2 激光差分吸收雷达，用来遥测大气中的污染气 体，对提高城市环境监测的能力，具有重大的意义。 第1 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 ( 2 ) 在军事领域，快速调谐t e ac 0 2 激光器将是未来光电对抗的重要激光光源之 一，如激光干扰等；同时快速调谐t e ac 0 2 激光器在大气侦毒等方面有着十分广泛 的应用。 1 2 高重复频率可调谐t e ac 0 2 激光器的特点 t e a c 0 2 激光器具有如下特点吐 ( 1 ) p h 于采用横向激励，在相同的增益长度和气体压力下，和纵向激励相比，可以 使激光器的放电电压大幅度下降。一方面，降低了对电源及系统绝缘强度的要求；另 一方面，采用较低的放电电压，可以有效降低放电的e n ( 电场强度与粒子数密度之比) 值，提高放电激励的效率； ( 2 ) 单位体积增益介质的输出脉冲能量与气压成正比，输出峰值功率与气压的平方 成正比。t e a c 0 2 激光器工作在较高的气压下，一般为l a t i n ( 1 a t i n = 1 0 1 3 3 k p a ) 量级， 因此单位体积的输出能量和输出峰值功率较高，器件可以更加紧凑： ( 3 ) t e ac 0 2 激光器一般采用高压窄脉冲激励( 放电脉冲的宽度一般为几微秒) ， 存在着“增益开关”效应，可以得到很高的脉冲峰值功率。输出脉冲能量为焦耳量级的 t e ac 0 2 激光器，其输出的脉冲峰值功率一般达几十兆瓦； ( 4 ) 和纵向放电的结构相比，横向放电的结构更加有利于器件的模块化。这不仅对 器件的工程化和实际使用非常有利，而且有利于激光器输出能量和功率的比例放大， 有利于向高功率方向发展。 高重复频率可调谐t e ac 0 2 激光器除具有上述优点外，还具有输出波长可以在 9 1 l p m 范围内调谐以及能同时输出较高的平均功率和脉冲峰值功率的特点，因此在 激光雷达、激光化学、光泵远红外等领域有着十分广泛的应用前景。 1 3 可调谐t e ac 0 2 激光器快速调谐技术发展动态 理论上，c 0 2 激光波长在9 1 1 n n 范围的谱线多达1 0 0 多条，这使得波长可调谐 t e ac 0 2 激光器的应用得到极大地拓展，下面主要介绍可调谐t e ac 0 2 激光器快速 调谐技术的国内外发展动态。 1 3 1 可调谐t e ac 0 2 激光器快速调谐技术的国外发展动态 第2 页 第一章引言 1 9 7 7 年，英国人s h o l l y 年t a i k e n 幂o 用振镜和事先排列好多面光栅的方案实现了激 光器的快速调谐输出1 8j ，该激光器采用八个光栅和一个电控转镜机构实现快速调谐， 将八个光栅预先调整到所需波长对应的角度位置，采用电流计控制反射镜的偏转实现 调谐激光输出，该方案主要实现了从一个波长到其它波长( 共八个) 的快速调谐，同时在 t e m ( 0 0 ) 模式下得到了激光器最大输出功率。这是第一台快速调谐t e ac 0 2 激光器， 但由于受实验条件和系统体积等限制，不能达到实际应用。 1 9 8 2 年，美国人e r f a x v o g 和h wm o c k e r 报道了用于快速调谐t e ac 0 2 激光器的 旋转多面体光栅法【引，其方案为旋转多面体光栅并同时控制激光器的放电时间，使光 栅旋转到相应输出谱线需要的准确角度，利用多面体光栅的每一刻面，选出单一波长 激光输出。重复频率可达1 0 0 h z ，可以快速扫描到9 1 0 a n 中7 0 多条跃迁谱线，最大 输出能量可以达到4 0 0 5 0 0 r r d ，这种方法选支速度快，选支精度高，结构简单，但由 于采用的多面体光栅，加工困难，价格昂贵，这在很大程度上限制了它的应用。 1 9 8 2 年，美国人 l d h o s s e i n i 和d l b e g l e y 报道了用步进电机控制光栅旋转的调谐 方法【9 】。其具体方案为利用微处理器控制步进电机从而驱动光栅进行旋转，其采用精 密齿轮箱作传动机构，但系统角度分辨率为0 0 9 度，不能够分辨所有谱线，且该调谐机 构的调谐速度较慢。 1 9 8 5 年，英国人a c r o c k e r ，r m j e n k i n s 和m j o h n s o n 报道了一种由计算机控制用 于紧凑封离型t e a c 0 2 激光器的光栅快速扫描系统一振镜+ 固定光栅法【4 】，由光学扫 描器和放大器组成光束偏转系统，其设计的激光器系统从9 2 1 0 7 朋可以扫描到4 0 多条跃迁谱线，最大输出能量可以达到5 0 ”，但由于振镜本身转动惯量，限制了系 统的工作速度，快速调谐的t e a c 0 2 激光器的重复频率为3 0 h z 。 1 9 8 6 年，美国人j a yf o x 和j e f f r e yl a h l 提出旋转多面体光栅的改进方法，由八面体 旋转棱镜和固定光栅【5 1 构成的应用于c 0 2 激光雷达系统的快速调谐装置，其装置受转 动惯量的影响较小，可以扫描到整个c 0 2 跃迁谱线，重复频率达4 0 0 h z ，最大输出能量 可以达到6 0 胍，；这种系统的热稳定性、振动稳定性较高，是目前较为理想的调谐机 构。但系统受转镜的加工精度和安装精度及环境温度的限制。 第3 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 1 9 8 7 年，澳大利亚人j o h ne e b e r h a r d t ，j o h ng h a u b 和l e w i sb w h i t b o u m 利用多面 体旋转棱镜和固定光栅法实现- j t e a c 0 2 激光器的快速调谐【1 0 】，其设计的激光器系统 从9 2 a n 1 1 1 肼可以扫描到1 0 0 多条跃迁谱线，重复频率达3 6 0 h z ，峰值功率为 1 0 0 5 0 0 w 。 1 9 8 7 年，苏联b o b r o v s k i i 等人利用共振系统掠入射光栅法连续调谐脉冲c 0 2 激光器 【1 1 】。采用该方法激光器在大气压力为0 9 a r m ，气体混合比为c 0 2 ：n 2 ：h e = 1 ：1 ：7 1 拘情况下 调谐得到了1 0 r ( 1 0 ) 1 0 r ( 3 4 ) ，1 0 p ( 1 0 ) 1 0 p ( 3 6 ) 谱线，激光器最大输出能量为2 3 m d , 实验同时测量了7 5 l i n e r a m ，1 0 0 1 i n e m m 和1 5 0 矗n e m m 等不同光栅常数的调谐情况以确 定最佳激光输出的光栅常数。 1 9 8 8 年，英国人a a u g u s t i n u s ，j f k u s t e r s ，b j r y e ，j w y a hd u k ，和w w o l t e r s 利用 个人计算机和步进电机控制光栅旋转【1 2 】，并借助三个测微计实现了激光器的快速调 谐，实验中确定光栅转角对应激光波长，测微器总行程1 2 7 0 0 步，每步的直线距离为 lj 聊。该方法调谐速度较慢，激光器的重复频率为1 0 恐。 1 9 8 9 年，美 f o x 等人报道了一种用于外差式检波激光雷达的快速调谐c wc 0 2 激光器【1 3 】，该激光器采用检流计驱动转镜旋转方案实现了9 ，朋1 l ，册范围内部分谱 线的扫描。 1 9 9 1 年，意大利s m a r c h e t i ，r s i m i l i 等人采用差分螺纹转动光栅方案实现了高气压 小型t e ac 0 2 激光器的快速调谐【1 4 】。该激光器脉冲重复率1 0 瑟，激光器一级输出能 量约4 0 0 m 大气气压为1 m p a 。 1 9 9 2 年，美国人a v i s h a ib d a v i d ，s i l v i ol e m e r y ，s t e v e nw g o t o f f 和f r a n c i sm d a m i c o 研制了高重复频率多波长脉冲c 0 2 激光雷达系统【1 5 】，其中的捷变频激光器利 用振镜+ 固定光栅法实现了t e ac 0 2 激光器的快速调谐输出，可调谐t e ac 0 2 激光器 的重复频率可达2 0 0 h z ，最大输出能量为1 0 0 m , ，脉冲宽度为1u s 。 2 0 0 0 年，俄罗斯的a i k a r a p u z i k o v , a n m a l o v 和i v s h e r s t o v 等人报道了可移动的远 程红外激光差分吸收雷达的可调谐t e ac 0 2 激光器【1 6 1 。该激光器按高能量输出设计， 其放电电压为4 0 k v 。在0 5 2 4 个大气压下研究了激光器的能量和脉冲波形等参数，激 第4 页 第一章引言 光脉冲最大能量为1 0 d ，最大峰值功率可达1 0 0 m w ，f w h m 约为3 0 n s ，激光器的能量转 换效率为1 2 6 ，使用光栅调i 皆c 0 2 激光一级输出谱线达8 5 条，其中有6 0 条谱线的输出 能量超过钉，但该激光器重复频率较低为2h z 。 1 3 2 可调谐t e a c 0 2 激光器快速调谐技术的国内发展动态 19 8 3 年，中国科学院上海光机所吴铁强，徐根传，王世尧，朱国英等人报道了普通光 栅腔内插入高温c 0 2 吸收池的方法 1 7 1 ，对序列带谱线选支，该方法能产生c 0 2 光谱 ( 0 0 0 2 1 0 。1 ，0 0 。2 0 2 0 1 ) 带激光跃迁，从而使普通封闭选支c 0 2 激光器输出谱线数目加 倍，实验得到6 5 条序列带谱线。 1 9 8 4 年，哈工大马祖光，张福泉，王雨三等人报道t c wc 0 2 选支激光裂1 8 】，得 到了惯常带1 0 5 条振荡谱线，其计算了各谱线的输出强度，与测量值相比，两者基本 符合。分析了腔长和光栅对选支的影响，并对激光的输出稳定性进行了测量和讨论。 1 9 8 6 年，中国科学院长春光机所林太基，金春植，李殿军，杨从斌，吴序华，祝 有信等人报道了光栅调频单纵模t e a c 0 2 激光系统【1 9 】，它由混合型t e a c 0 2 振荡器和 二台t e ac 0 2 放大器组成。实验得到了可调谐谱线8 1 条，其中输出谱线最大能量为 4 u ，脉宽1 2 0 n s ，功率3 5 m w ，但该装置体积较大。 1 9 9 1 年，华南师范大学郑潮庆，梁发程，司徒达，黄秀琼等人报道了用于d i a l 装置的选频激光器微机控制系统2 们，该系统由步进电机控制系统、机械调节系统、c 0 2 激光器工作系统、数据采集与转换系统及微型计算机组成，该系统可自动地从c 0 2 激 光光谱中选取7 6 条激光工作谱线，其利用螺旋测微器装置作为光栅的传动机构，螺旋 测微器的位置分辨率可达0 0 0 1 8 m m 。但该方案调谐速度不高，最快只能在7 0 m s l 勾完 成相邻两条谱线的调谐。 1 9 9 9 年，哈工大曲彦臣和胡孝勇等在美 j a yf o x 和j e f f r e yl a h l 的工作基础上研 究了6 面转镜+ 固定光栅法川组成的同步触发控制系统，其主要由闪耀光栅、同步电机、 6 面转镜、角编码器、计数延迟接口电路板、微机和触发电路板等组成，如图1 1 所示。 转镜在不断转动时，只起到偏转光束的作用。它能使激光束以不同的角度入射到光栅 上，相当于光栅在转动，所以可以实现若干支波长激光单调有序的选出。 第5 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 其设计的同步控制系统可较好地给出同步控制信号，并在实验的基础上实现触发放 电，可调谐t e ac 0 2 激光器的重复频率达1 5 0 h z 。但由于高速转动磁滞同步电机转 速的稳定性、转镜的加工精度，尤其是6 面转镜与电机轴的安装调整精度以及脉冲计 数器固有计数误差，都能够引起转镜转角与激光器触发脉冲同步再现性的波动。 s y n c h r o n o u s m o t o r 图1 1 曲彦臣等研制的6 面转镜+ 固定光栅的快速调谐机构 2 0 0 1 年，哈工大曲彦臣和胡孝勇等报道了一种快速调谐技术一高频步进电机驱动 光栅法 2 2 1 。其方案主要由调谐机构和转动机构组成，如图1 2 所示，调谐机构由单片 机控制的转动机构、零位定位器、触发器和光栅组成；转动机构包括高频步进电机、 蜗轮蜗杆传动机构、光栅平台。当光栅转动时，激光束就会以不同的角度入射到光栅上， 从而可以实现若干支激光波长单调有序的输出。这种方案采用单片机作为调谐控制机 构的核心，控制电机运转，接收零位信号，在指定光栅角度位置触发激光器进行主放 电，调谐控制系统嘲如图1 3 所示。单片机向电机驱动器输出周期可调的步进脉冲信 号、正反转信号和启停信号b 3 1 。该方案的定位精度达到6 ，实现良好的激光再 现性。 曲彦臣等设计的可调谐t e a c 0 2 激光器脉冲重复率达2 0 上拓，能稳定工作而无弧 光。在单步静态扫描输出实验中，对光栅整个有效工作范围进行全波段扫描，在9 1 1 a n 光谱区内可选出5 1 条谱线，最强谱线的输出能量为1 3 5 m j ；在动态触发输出实 验中，可调谐t e ac 0 2 激光器系统在时r 司 _ l o m s 的动态快速触发情况下，工作稳定，相 邻两束激光输出波长重现性好。 第6 页 第一章引言 蜗 杆 图1 2 曲彦臣等采用的光栅快速调谐机构 上零位信号 静怯 步进脉冲 高 嚣 0 单 片 饥 号 数据存储器 l e d 显示器 键盘 v 触发信号 图1 3 曲彦臣等采用的光栅快速调谐控制系统示意图 中国科学院电子学研究所在高重复率可调谐t e ac 0 2 激光器的理论和实际应用 方面做了大量研究：在理论研究方面，导出了描述可调谐脉冲t e ac 0 2 激光器任何 一条和多条激光振荡线的六温度模型速率方程组1 2 4 】，系统地建立了可调谐激光器理论， 并较为详细的研究了光栅调谐、低锐度f - p 调谐【2 5 】、注入锁定调谐高功率脉冲t e a c 0 2 激光器的调谐输出特性，得出了许多有意义的结果，并和一些初步的实验结果进行 了比较口6 】；在实际应用方面，以研制平均功率千瓦级的实用化高重复频率可调谐t e a c 0 2 激光器为目标，利用光栅选线的方案，实现了平均功率千瓦级的高重复频率t e a c 0 2 激光调谐输出鲫，在工作中采用精密电控旋转台通过单片机控制步进电机驱动光 栅，实现角度调整自动化，从而实现了光栅选线t e a c 0 2 激光器的调谐输出。 现将近几年国内外所做的工作成果总结对比如表1 1 示。综上所述，前人在本选 题研究领域中采用的t e ac 0 2 激光器的快速调谐装置主要有两类：( 1 ) 电机驱动多面 体旋转棱镜和光栅法；( 2 ) 振镜+ 固定光栅法；前者可以达到很高的重复频率( 4 0 0 s z ) ， 第7 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 但需要精确控制旋转棱镜和光栅的速度和时间以达到和激光器放电触发同步，以免影 响激光光束发散角和谱线波形。后者虽然避免了时间同步问题，但需要很高的棱镜偏 转角度分辨率( 1 1 0 u r a d ) ，同时也受到振镜或光栅的转动惯量的影响而不能得到较 高的重复频率。 表1 1 前人工作成果对比表 6 面转镜+ 固定光栅法高频步进电机驱动光精密电控旋转台驱动 ( 美国、哈工大)栅法( 哈工大)光栅法( 电子所) 定位时间 1 0 埘s1 0 m s ls 定位精度 土5 。土6 土9 ” 控制方式 半闭环控制半开环控制半开环控制 结构较简单，电机控制简定位精度较高，可选出控制操作方便；实现了 单，可以快速扫描到9 5l 条谱线。最强谱线的 光栅选线方案t e a 优点 1 0 o n 中7 0 多条跃迁谱线 输出能量为1 3 5 m j c 0 2 激光器的调谐输 出 缺点 抗电磁干扰能力较差、控制只能实现同一跃迁带定位时间长，定位精度 实现难、重现性不理想 两条谱线切换输出不高。 成本高较低低 本文介绍一种新型的快速调谐方案，其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，实现重复频率运转方式下t e ac 0 2 激光器的快速调谐。 本方案具有如下优点：调谐范围大，可实现整个c 0 2 激光谱线范围内任意两条谱线的 快速调谐；可输出较高的能量和脉冲峰值功率；结构简单，使用方便，稳定性好；定位 精度高，集成化程度高。 1 4 可调谐t e a c 0 2 激光器快速调谐的关键技术问题 目前t e ac 0 2 激光器快速调谐技术常用电机驱动光栅法，当光栅转动时，激光束 就会以不同的角度入射到光栅上，高重复频率t e ac 0 2 激光器的重复频率较高，要在 较短时间内实现若干条激光谱线的有序输出，并且为了保证能够出光必须使光栅的定 第8 页 第一章引言 位精度达到角秒级，因此要实现高重复频率t e ac 0 2 激光器的快速调谐，需要解决 的主要问题是必须同时满足两个因素精度和速度，使二者达到和谐统一，既要选择额 定速度较高的电机，又要选择高精度精密减速机，现有的电机速度和分辨率可达到要 求，但其加负载后高速响应性能较差；高精度精密减速机可以满足高速传动，但齿轮 背隙较9 z ( 1 ) 【2 8 】。因此本选题的技术关键是除构建可同时满足精度和速度要求的电机 自动控制系统外，还需要精确控制光栅旋转的速度和时间以达到和激光器放电触发同 步。 1 5 论文的主要内容和结构 本论文的主要内容是围绕光栅选线t e a c 0 2 激光快速调谐技术中的若干关键技 术问题，进行了一些理论和实验研究工作，构建了光栅选线t e a c 0 2 激光快速调谐系 统，并对快速调谐系统的稳定性进行了讨论分析。 本论文的结构为：第一章综述了高重复频率可调谐t e ac 0 2 激光器的特点和可 调谐t e ac 0 2 激光器快速调谐技术的国内外发展动态和关键技术问题；第二章介绍 了可调谐t e ac 0 2 激光器的基础理论，首先介绍了c 0 2 激光器的能级和可调谐t e a c 0 2 激光器的三种常用的实现方法，然后着重论述了光栅调谐原理，最后编程计算了 c 0 2 激光波长相应的光栅衍射角和电机步数等参数；第三章为本工作的系统构建部 分，详细介绍了可调谐t e ac 0 2 激光器快速调谐机构的设计，包括快速调谐系统硬 件构成和软件设计，然后介绍了整个系统操作流程和调试过程，最后针对实验中系统 可能遇到的电磁干扰现象，进行了系统的抗干扰设计；第四章为本工作的实验部分， 首先论述了实验装置，包括可调谐t e ac 0 2 激光器和光栅谐振腔，然后论述了快速 调谐实验过程，包括单脉冲运转调谐实验和快速调谐实验，最后结合实验结果对快速 调谐系统的稳定性进行了讨论分析，得出了有价值的结论；第五章为结论部分。 第9 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 第二章可调谐t e ac 0 2 激光器理论基础 2 1 引言 几个固定波长输出的激光【2 铆。如果激光器输出的激光波长可以在一定波长范围内改 变，则称这类激光器为可调谐激光器【3 0 】。可调谐激光器一般可以分为两类：一类是基 于介质的宽带发射光谱加上波长调谐技术，来实现波长可变，如可调谐准分子激光器、 光( 也可是一可调谐激光的波长) ，通过非线性光学的光参量过程，如振荡技术、放大 围，如图2 1 所示【3 ”。 和频( 混频)差频 。 i = 墨! 叫 i 叫 卜一h iiiii liliii illliii iiiiiiii 图2 1 各种可调谐激光器的调谐范围 本论文要研究的可调谐t e ac 0 2 激光器是高压气体激光器，属于波长可调谐激 光器，其除了具有一般激光器的三个基本组成部分( 工作物质、激光谐振腔和泵浦系 统) 外，由于需要有波长调谐的功能，则必须在谐振腔内插入一定的选线元件，如光 栅【3 2 】、棱镜口6 1 等，以便实现激光波长的调谐。波长可调谐激光器应用的激光介质，必 须具有宽带光谱，从而使波长在一定范围内可调谐。 本章论述了可调谐t e a c 0 2 激光器的基础理论，首先介绍了c 0 2 激光器的能级 第1 0 页 第二章可调谐t e ac 0 2 激光器理论基础 和可调谐t e a c 0 2 激光器的三种常用的实现方法；然后着重论述了光栅调谐t e a c 0 2 激光技术研究，包括光栅调谐原理和光栅选线可调谐激光器谐振腔；最后编程计算了 c 0 2 激光波长及相应光栅衍射角等参量。 2 2c o s 激光器的能级与谱线 c 0 2 激光跃迁发生在振动能级0 0 0 1 1 0 0 0 之间和0 0 0 1 0 2 0 0 之间，前者为1 0 带， 后者为9u m 带。因转动跃迁选择定则而分为p 支和r 支，即9 p ，9 r ，1 0 p , 1 0 r 支，覆盖 波长范围为9 1 1f 川。根据分子态波函数对称性要求，激光上能级o o o l 的转动量子 数只能为奇数：户1 、3 、 5 、7 ，激光下能级1 0 0 0 或0 2 0 0 的转动量子数只能为偶 数：乒0 、2 、4 、6 习惯上对- ，= 一l 的跃迁称为p 支跃迁，跃迁产生的谱线称为p 支谱线；对6 i = + l 的跃迁称为r 支跃迁，跃迁产生的谱线称为r 支谱线。通常以下 能级的转动量子数称谓该谱线，如1 0 p ( 2 0 ) 线，即为1 0 p 带中下能级转动量子数为j = 2 0 的那条谱线。图2 2 为0 0 0 l 1 0 0 0 和0 0 0 1 0 2 0 0 带的p 支和r 支激光振荡的详细跃 迁图【3 3 】。 2 5 0 0 ， g e 衄| 趟 2 0 0 0 1 5 0 0 d 2 8 2 4 2 0 1 6 j 3 1 2 7 图2 20 0 0 1 1 0 。o 和0 0 0 1 0 2 0 0 带的p 支和r 支激光振荡的详细跃迁图 第l l 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 2 3 可调谐t e ac 0 2 激光器的实现方法 存在布居数反转时，有近两百条具有增益的c 0 2 振转谱线。因此，在激光谐振腔 内，只要使某条谱线的净增益( 增益减去损耗) 高于其它所有谱线，原则上就能使该谱 线获得激光输出。一个实际运转的t e a c 0 2 激光器如图2 3 所示【2 7 1 。 图2 3t e a c 0 2 激光器示意图 如果不考虑增益饱和，则激光器的净增益系数为 口。，= a f 万一i n r 2 l( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中，f = l l 为填充因子，为有效增益长度，为谐振腔腔长，口为小信 号增益系数，占为单位长度的损耗系数，r 为输出镜的光强透射系数( 假定全反镜反射 系数为l o o ) 。在激光器工作达到稳态时，净增益系数= o 。从( 2 1 ) 式可以知道， 在不同的频率下，通过调节6 或置，可以实现t e ac 0 2 激光器的可调谐运转。 为了在特定波长上获得激光输出，通常在普通的谐振腔中加入一个波长调谐元 件。波长调谐元件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。为了使激光器具有良好的波长调谐性能，通常在谐振腔中加入棱镜，衍 射光栅、f a b r y - p e r o t 干涉仪、声光元件、偏振元件等来构成波长可调谐的谐振腔0 4 1 。 下面将讨论可调谐t e a c 0 2 激光器常用的三种波长调谐方法：注入锁定、低锐度f - p 耦合腔以及光栅调谐。 1 注入锁定 在可调谐t e ac 0 2 激光器中，常用一个低功率选线c wc 0 2 激光器注入另一个高 功率t e ac 0 2 激光器谐振腔来控制高功率器件的输出频率，甚至获得高功率激光器 的单纵模输出，这种方法称为注入锁定。采用注入锁定能实现激光谱线的调谐输出。 第1 2 页 第二章可调谐t e ac 0 2 激光器理论基础 实验装置如图2 4 所示【2 7 】。 图2 4 注入锁定调谐方案不意图 图2 4 中，m 1 m 8 以及m 1 0 为全反射镜，m 9 为g e 输出镜，g 为闪耀光栅， s 1 、s 2 为光阑、1 6 a 为光谱仪。发射“种子”光的是一台输出功率为5 w 的普通纵向 放电c wc 0 2 激光器，采用光栅调谐，该激光器输出光束经小孔耦合注入一高重复频 率t e ac 0 2 激光谐振腔中，该主激光器输出光束经适当衰减后射入c 0 2 激光光谱仪 中测量输出激光波长。 采用注入锁定调谐，如果被注入的激光器采用光栅耦合输出，具有控制简单、激 光器输出脉冲能量不直接受光栅等调谐元件损伤阈值限制等优点，但激光器输出中除 含有注入激光波长外往往含有增益最高的1 0 p ( 2 0 ) 成分，较难实现单一波长输出，而 且注入锁定调谐需要两台可调谐的激光器：一台低功率可调谐c wc 0 2 激光器，一台 高功率脉冲t e ac 0 2 激光器，两台激光器之间需要恰当的耦合、模式匹配和光学隔 离，在工程应用上，实现起来有相当的难度，因此，注入锁定调谐一般应用在需要单 纵模激光输出的场合。 2 低锐度f p 耦合腔 f p 干涉仪是由两块镀有反射膜的平行光学镜片和端面相互平行的间隔圈组成。 如果间隔圈是固定的，则称为f o p 标准具；若间隔是可调的，则称为f p 干涉仪。在 激光应用中，f - p 调制器( 干涉仪) 作为一种调谐元件，一般倾斜放置在激光谐振腔中， 第1 3 页 光栅选线t e ac 0 2 激光器快速调谐技术研究 通过调制器透过率的频率调谐特性来实现输出波长的调谐。研究表明【2 6 1 ，高锐度f - p 调制器的透过率函数具有非常好的波长调谐特性，但作为激光谐振腔的输出耦合镜 时，反射率较低，谐振腔内难以形成激光振荡；而低锐度的f - p 调制器的反射率和透 过率不高不低，适合于用作高功率脉冲c 0 2 激光器的输出耦合镜。 采用低锐度的f - p 直接代替高重复频率 t e ac 0 2 激光谐振腔的 输出镜，激光经f p 耦合 后直接输出，可以实现激 艮一辜a i r 泌r e r o a r 图2 5 低锐度f p 耦合腔 1 凹面全反射镜2 增益区3f p 光器调谐输出【3 5 1 。实验装置如图2 5 所示，图2 5 中，f p 的间距d 由压电陶瓷( p z t ) 控制，它与全反射凹面镜组成f - p 耦合腔。忽略吸收及衍射等损耗，波长为旯的激光 在低锐度f - p 耦合腔内往返一次的净增益为 g ( 五) ：2 l a ( 2 ) + i n r ( 2 ) ( 2 2 ) 其中，口( a ) 为小信号增益系数，r ( a ) 为f - p 的透射率 4 民s i n ：( 孚) r 旯= ( 1 - r o ) 2 + 4 r os 生i n 2 ( 孕一- ) 1r o i n j ， ( 2 3 ) 其中，为f - p 每片镜片的反射率。 由公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以看出，通过控制f - p 的间距，可以在一定范围内控制( 2 2 ) 式中的第二项，进而可以在一定程度上控制不同波长的净增益，实现波长调谐。 采用该方法实现调谐，具有激光器结构简单、调谐迅速，波长控制灵活等优点。 通过分析( 2 2 ) 式可以看出，该方法主要适用于增益长度较短的情况，这时( 2 2 ) 式中的 第二项的影响显著。而对于腔长较长的情况，( 2 2 ) 式中第二项的变化不足以对净增益 产生显著影响，这时该方法将不再适用。 使用低锐度的f - p 调制器作为高功率脉冲t e a c 0 2 激光器的输出耦合镜，可实现 跃迁带的选择，在所选定跃迁带上，一般有两三条谱线有可观能量的输出，每条谱线 第1 4 页 第二章可调谐t e ac 0 2 激光器理论基础 由几个纵模组成。同时使用