聲光調Q CO2激光器的輸出特性

潘其坤，謝冀江，阮 鵬，2，張來明，張傳勝

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100049）

聲光調Q CO2激光器的輸出特性

潘其坤1，2*，謝冀江1，阮 鵬1，2，張來明1，張傳勝1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100049）

采用諧振腔內插入聲光調制器（AOM）的方法獲得了小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬、高峰值功率輸出。通過分析CO2激光器聲光調Q的工作原理，利用基于小信號增益和飽和光強的耦合輸出數學模型給出了激光器最佳輸出鏡透過率的數值解，并運用相關實驗裝置對該數學模型進行了實驗驗證。理論分析和實驗結果均表明：該聲光調Q CO2激光器的最佳輸出鏡透過率為39%。研究了激光器輸出性能隨脈沖重復頻率的變化規律，當脈沖重復頻率＞1 kHz時，激光器輸出峰值功率下降，這與CO2分子上能級壽命有關，并受聲光調Q開關熱效應的影響。實驗中獲得的激光器脈沖頻率在1 Hz～100 kHz可調。在脈沖頻率為1 kHz時，獲得的激光脈沖寬度為156 ns，脈沖峰值功率為10 kW，且穩定性較好，非常適合于作激光與物質相互作用的光源。

激光技術；CO2激光器；聲光調Q；輸出鏡；透過率

1 引 言

9.3 ～10.6μm CO2激光器在激光與物質相互作用領域的應用一直是各國科研機構研究的熱點，以此激光器為光源的激光干擾技術是該領域的一個重要研究方向［1-2］。例如，用激光輻照航空或航天光電探測器（高靈敏度，高信噪比）時，能嚴重干擾它們的工作，引起探測器自身的飽和效應，導致信號丟失。干擾的結果不是損傷探測器，而是使之不能正常工作［3-4］。研究表明：激光對作戰目標（光電探測器）的干擾作用與激光能量、脈沖寬度、峰值功率及光束質量等激光器參數密切相關［5］。因此，提高激光輸出的峰值功率和重復頻率對于提高激光干擾能力具有重要的作用。目前，可用于激光干擾模擬實驗的小型CO2激光器實現重復頻率輸出的主要手段有電光調Q［6］和機械調Q［7］：電光調Q晶體驅動電壓高，技術相對復雜，成本也高;機械調Q方法雖然成本較低，但是受斬波器轉速的限制，難以實現穩定的高重復頻率輸出，且輸出脈寬較大。為此，本文采用了在諧振腔內插入聲光調制器的方法設計了小型高重頻聲光調Q CO2激光器［8］。受限于晶體加工工藝，在9.3～10.6μm這一波段，聲光調Q晶體的單程透過率普遍較低（90%左右），這將導致激光器的腔內損耗較大而運轉困難，因此，國內外很少見到運用聲光調Q技術實現CO2激光輸出的報道。本文首先利用基于小信號增益及飽和光強的耦合輸出數學模型在理論上研究了激光器輸出性能與輸出鏡透過率的關系，得到了透過率是影響激光輸出性能的一個重要因素的結論。進而運用一組具有不同透過率的ZnSe輸出鏡進行了激光器輸出性能方面的實驗研究，該實驗結果驗證了上述數學模型的正確性，得到了最佳輸出鏡透過率。實驗表明：經過優化設計的聲光調Q小型CO2激光器的綜合性能滿足激光與物質相互作用領域應用的需求，有望成為該科學研究的理想光源。

2 聲光調Q的基本原理

聲光調Q開關是激光器實現重復頻率輸出的核心器件，它由聲光Q開關器件和驅動電源兩部分組成。聲光Q開關器件的原理是利用超聲波在介質中傳播造成介質折射率產生相應的周期性變化，相當于形成一個相位光柵，當光波通過該介質時會產生衍射實現光束偏轉。聲光調Q開關時序關系如圖1所示。0 V和5 V交替變化的標準電平信號（TTL）為外加控制信號，它將高低電平信號有規律地加到聲光Q開光驅動電源上。當TTL為低電平時，聲光Q開光驅動電源有功率輸出，聲光換能器將電能轉換成聲能，超聲波在聲光介質中傳播，此時聲光介質相當于相位光柵，聲光Q開光衍射效率很高（＞80%），腔內Q值很低，因此抑制了諧振腔內激光的振蕩，CO2分子上能級積累了大量高能粒子，無激光輸出。當TTL信號為高電平時，聲光Q開光驅動電源沒有功率輸出，聲光換能器不工作，聲光介質為普通Ge單晶，對CO2激光單程透過率＞90%，此時聲光Q開光衍射效率為0，腔內Q值瞬間升高，CO2分子上能級積累的大量高能粒子瞬間受激輻射，形成巨脈沖輸出。TTL信號周期性變換時，激光器便實現了脈沖輸出，其脈沖頻率受TTL信號源控制。如果通過編碼控制TTL電平信號，激光器便可以實現相應的編碼脈沖輸出。

圖1 控制信號、衍射效率、腔內Q值與輸出激光的相互關系Fig.1 Interdependence of control signal，diffraction efficiency，intracavity Q-value and laser output

3 基于小信號增益的理論模型

在理論上獲得激光器最佳耦合輸出時的輸出鏡透過率系數（t）對優化激光器結構參數，提高激光器輸出性能具有重要意義。如果t太大，激光器由于損耗超過增益而無法工作;相反，如果t太小，激光在諧振腔內往返振蕩而只有少量輸出，此時腔內損耗增加、工作氣體溫度升高、激光上能級壽命縮短，從而導致激光器效率低且無法長時間工作。因此，激光器存在一個最佳耦合輸出系數?；谛⌒盘栐鲆婕帮柡凸鈴姷鸟詈陷敵鰯祵W模型如下［9］：

式中：Iout為輸出光強，Is為飽和光強，ta為聲光調制器的單程透過率，R1、R2分別為后反鏡、輸出耦合鏡的反射率，lg為增益介質長度，γ0為小信號增益系數：

式中：A21為CO2上能級自發躍遷速率，λ為激光波長，ΔvH為碰撞線寬，ΔvD為多普勒線寬，ΔN為上下能級粒子數之差［10］：

式中：J為CO2分子轉動量子數，上下能級粒子數分別為：

式中：f為CO2分子未分解比例（高壓放電時，CO2分子部分分解為CO分子），NCO2為CO2分子濃度，k為波爾茲曼常數，hνi為不同振動能級能量，T1、T2、T3分別為CO2分子對稱振動模、變形振動模、反對稱振動模的等效振動溫度（T1，T2，T3均為時間的函數。激光器穩定工作后，在外加冷卻系統的條件下，T1、T2、T3變化不大，為簡化計算，本模型假設它們均為常數），轉動配分函數為：

式中：BCO2為CO2分子轉動常數，T為工作介質平均溫度。

4 理論計算與實驗結果對比分析

圖2 實驗裝置簡圖Fig.2 Schematic of experimental device

4.1 實驗裝置及方案

實驗裝置如圖2所示，激光器采用半外腔的直流放電增益和輸出鏡直接輸出的方式。諧振腔為平凹腔結構，腔內插入了一個孔徑大小可調的光闌。聲光Q開關置于輸出鏡和光闌之間，放電增益區采用材料為ZnSe的布儒斯特窗封裝，激光器為水平線偏振輸出。

諧振腔后反鏡的曲率半徑為3 m，放電管增益區長度為0.8 m，放電管內徑為8 mm，總氣壓為3.3 kPa，Xe、CO2、N2、He氣體體積比為1:2.5:2.5:17.5?？讖焦怅@大小在1～8 mm連續可調，距離輸出鏡180 mm。聲光Q開關通光孔徑為6 mm×14 mm，TTL信號為1 Hz～100 kHz連續可調，光學諧振腔長度為1.2 m。輸出激光先由平面反射鏡改變光路，如圖2所示，接著由分光鏡（鍍膜鍺鏡，反射率為70%）將光束分為兩支，一支光束由PVM-10.6型室溫HgCdTe探測器接收經放大器放大后由帶寬為500 MHz的TDS3052B型示波器顯示激光脈沖波形，另一支光束由LP-3C型激光功率計實時監測輸出功率。

4.2 激光器最佳耦合輸出鏡的選擇

4.2.1 理論計算結果

運用耦合輸出方程對激光器輸出光強進行了計算，解方程時考慮了激光器的實際測量結果及表1中所列出的相關數據［11］。運用MATLAB計算軟件，將式（2）～（5）代入式（1）進行數值計算，得到輸出光強度/飽和光強（Iout/Is）隨輸出鏡透過率的變化關系（如圖3所示）。隨著輸出鏡透過率的升高，輸出光強先是逐漸增大，當輸出鏡透過率達到最優值時（t=39%），輸出光強達到最大值，此后再增大輸出鏡透過率，輸出光強度逐漸降低。計算結果表明：激光器存在最佳輸出鏡透過率，這為激光器參數的優化提供了理論基礎。

表1 求解激光器最佳耦合輸出所需的相關數據［11］Tab.1 Parameters used for solving the coup ling-out of Q-sw itched CO2laser

圖3 輸出光強與飽和光強的比值隨輸出鏡透過率的變化關系Fig.3 Variation of Iout/Iswith transmittance of output mirror

4.2.2 實驗結果

依據最佳耦合輸出理論，采用定制的一組ZnSe輸出鏡對理論結果進行了驗證。其透過率分別為18%、25%、32%、39%、46%、53%，厚度均為2.5 mm，通光孔徑均為28 mm。實驗中分別測量了每塊輸出鏡在不同頻率時的脈沖寬度（脈沖寬度基本保持不變）和平均功率，通過計算可得出激光輸出峰值功率。運用MATLAB計算軟件，在不同透過率條件下，得到了激光器峰值功率與透過率間的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 激光器輸出峰值功率與輸出鏡透過率間的關系曲線Fig.4 Peak power of CO2laser as a function of transmittance of outputmirror

由圖4可知，在不同重復頻率條件下，激光器的輸出峰值功率均是先隨輸出鏡透過率增加而增大，當輸出鏡透過率達到最優值以后，輸出功率隨著透過率的增大而減小。實驗中獲得的最佳耦合輸出系數與理論值一致，驗證了最佳耦合輸出理論的正確性。激光器輸出性能受脈沖重復頻率影響與重復頻率大小有關，當重復頻率＜1 kHz時，激光器的輸出性能基本保持不變;當重復頻率＞1 kHz時，隨著重復頻率的升高，激光器輸出性能逐漸下降。針對這一現象，本文給出兩點解釋：

（1）這與CO2分子上能級輻射壽命約為1 ms有關。當頻率＞1kHz（相當于相鄰兩個脈沖的時間間隔＜1 ms）時，反轉粒子數未積累到最大值就受激輻射輸出激光，這必然導致輸出峰值功率的下降。

（2）這與聲光調Q開關器件的性能有關。聲光調Q開關是實現重復頻率輸出的一個關鍵器件，它的熱效應對激光輸出性能有較大的影響。本實驗中，調Q開關器件采用了循環水冷卻，因而，其聲光晶體周邊溫度基本保持不變，而晶體中心由于吸熱將導致明顯的升溫，且升溫幅度隨著脈沖重復頻率的升高而增大，這將導致晶體產生橫向熱梯度分布，從而影響晶體的折射率分布。在調Q晶體中心溫度超過其允許的工作溫度時，調Q開關將自動打開熱互鎖設備，關斷調Q開關。另一方面，由于聲光晶體Ge的吸收系數隨著溫度的升高而變大［12］，這將導致激光的損耗（吸收損耗、衍射損耗、散射損耗等）增大，尤其是在高重復頻率時，它將嚴重限制激光器的單脈沖輸出能量，而輸出能量的降低必將導致輸出峰值功率的下降，這也是限制該類激光器發展的重要原因之一。

4.3 激光器輸出性能

在輸出鏡透過率為39%時，激光器的輸出性能較優。此時，流經放電區的電流為12 mA，激光器連續輸出功率為22 W，諧振腔內插入聲光調Q開關后輸出功率下降到7.5 W。由HgCdTe探測器測得頻率為1 kHz的激光脈沖波形如圖5所示。由圖5（a）可知，輸出脈沖寬度約為156 ns（Ch1），Ch2為TTL觸發信號，激光脈沖建立時間為2.9μs。測得激光器平均輸出功率為0.47 W，則實際平均輸出功率為1.56 W（分光比為3:7），此時，激光器輸出峰值功率為10 kW;由圖5（b）可看出，在重復頻率運轉時激光器穩定性較好，輸出激光脈沖幅值差＜±5%。

圖5 重頻為1 kHz時的激光脈沖波形Fig.5 Outputwaveforms of laser at1 kHz

5 結 論

采用聲光調Q方法是實現小型CO2激光器窄脈寬、高峰值功率、高重頻輸出的一種有效技術手段。本文通過對基于小信號增益及飽和光強理論模型進行數值模擬，分析了輸出鏡透過率對激光器輸出性能影響。實驗表明：在不同的頻率條件下，激光器輸出功率隨輸出鏡透過率的變化而變化，且存在最大值，這與上述數學模型計算的結果一致。這一結論對于進一步開展聲光調Q小型CO2激光器的優化設計具有重要的價值。

通過CO2激光上能級壽命及聲光調Q開關的熱效應解釋了激光器輸出性能隨重復頻率增加而下降這一實驗現象。優化后的實驗裝置實現了1 Hz～100 kHz重復頻率的激光輸出，在脈沖頻率為1 kHz時，獲得的激光脈沖寬度為156 ns，脈沖峰值功率為10 kW，且激光器高重復頻率運轉時輸出性能穩定。該裝置有望成為激光與物質相互作用領域研究實驗中使用的理想光源。

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Output performance of acousto-optic Q-switched CO2laser

PAN Qi-kun1，2*，XIE Ji-jiang1，RUAN Peng1，2，ZHANG Lai-ming1，ZHANG Chuan-sheng1
（1.State Key Laboratory of Laser Interactionωith Matter，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）
*Corresponding author，E-mail：panqikun2005@163.com

A compact CO2laser with short pulse duration，high peak power and high repetition was developed by using an Acousto-optic（AO）Q-switch.The operating principle of the AO Q-switch was analyzed，and the theoreticalmodel of CO2laserwas introduced based on the small-signal gain and saturation intensity.Then the optimal numerical solution of the transmission for an outputmirrorwas given by thismodel.Based on the compact CO2laser in our laboratory，the experiments to verify the theoretical result were performed.The optimalcoupling output factor gained by the theory and experiments is39%.The variable law of laser output performance with pulse repetition frequency was researched.Results show that the peak power of the laser will fall down when the pulse repetition frequency is greater than 1 kHz，which is related to the radiation life of CO2molecular upper energy level，and is limited by the heat effect of AO Q-switch.The range of pulse repetition frequency can be adjusted from 1 Hz to 100 kHz.When the pulse repetition frequency is1 kHz，themeasured pulse duration is 156 ns and the peak power is 10 kW.The laser has good stabilization，and is suitable for a light source used in laser-matter interaction.

laser technology;CO2laser;acousto-optic Q-switching;outputmirror;transmission

TN248.2

A

10.3788/CO.20120503.0283

潘其坤（1985—），男，河南開封人，博士研究生，主要從事激光器方面的研究。E-mail：panqikun2005@163.com

謝冀江（1959—），男，江蘇鎮江人，研究員，主要從事激光器及其應用技術方面的研究。E-mail：Laserxjj@163.com

1674-2915（2012）03-0283-06

2012-01-16；

2012-03-15

激光與物質相互作用國家重點實驗室基金資助項目（No.SKLLIM0902-01）;吉林省科技廳科技支撐計劃資助項目（No.20090358）