聲光偏轉(zhuǎn)快調(diào)諧脈沖CO2激光器實驗研究

潘其坤，俞航航，陳 飛，謝冀江，何 洋，于德洋，張 闊

(1.解放軍電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，安徽 合肥 230037；2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

CO2激光器具有良好的波長可調(diào)諧性，在9～11 μm范圍內(nèi)擁有百余條譜線，對應(yīng)了多種大氣污染物的吸收峰，在激光差分吸收雷達(dá)、激光測距、激光監(jiān)聽等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1-5]。激光差分吸收雷達(dá)的工作原理是向待測區(qū)域發(fā)射兩束波長不同的激光，一束是與待測污染氣體吸收峰重合的測量光束，另一束是與待測污染氣體吸收峰偏離的參考光束。為了得到精確的測量結(jié)果，要求在大氣“凍結(jié)”時間內(nèi)發(fā)射兩束不同波長的激光，因而，脈沖CO2激光快調(diào)諧技術(shù)備受關(guān)注[6]。

快速旋轉(zhuǎn)波長調(diào)諧器件是脈沖CO2激光快調(diào)諧領(lǐng)域的常用技術(shù)。Dvaid等人報道了高重復(fù)頻率多波長脈沖CO2激光雷達(dá)系統(tǒng)[7]，其中的快調(diào)諧激光器利用振鏡和固定光柵法實現(xiàn)了CO2激光器的快調(diào)諧輸出。Faxvog等人通過旋轉(zhuǎn)多面體光柵并同時控制激光器的放電時間，使光柵旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)輸出譜線對應(yīng)的入射角度，利用多面體光柵的每一刻面，選出單一波長激光輸出[8]。哈工大曲彥臣團(tuán)隊采用6面轉(zhuǎn)鏡和固定光柵組成的同步觸發(fā)控制系統(tǒng)實現(xiàn)波長快調(diào)諧[9-10]，轉(zhuǎn)鏡在持續(xù)轉(zhuǎn)動時能使激光束以不同的角度入射到光柵上，從而可實現(xiàn)若干支波長激光單調(diào)有序的選出，波長調(diào)諧時間約為10 ms。北京電子所譚榮清團(tuán)隊采用直驅(qū)交流伺服電機驅(qū)動光柵高速旋轉(zhuǎn)和精確定位技術(shù)實現(xiàn)激光波長快速調(diào)諧[11]，動態(tài)快速觸發(fā)時，在60 ms內(nèi)實現(xiàn)了整個CO2激光光譜任意兩條譜線調(diào)諧輸出，在20 ms內(nèi)實現(xiàn)同一個躍遷帶內(nèi)相鄰兩條譜線的調(diào)諧輸出。本團(tuán)隊也開展了脈沖CO2激光器波長調(diào)諧方面的研究，獲得了60余條激光譜線輸出[12-15]，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了基于聲光偏轉(zhuǎn)的快調(diào)諧脈沖CO2激光技術(shù)研究。

本文首先通過實驗研究了聲光調(diào)制器的工作特性，實驗測試了聲光偏轉(zhuǎn)角和聲光移頻量，分析了聲光移頻對激光性能的影響，并提出了移頻補償方案。進(jìn)而，基于腔內(nèi)聲光偏轉(zhuǎn)，搭建了聲光快調(diào)諧實驗裝置，實現(xiàn)了CO2激光雙波長快調(diào)諧輸出。

2 聲光調(diào)制器特性

聲光調(diào)制器的工作原理是利用超聲波在介質(zhì)中傳播造成介質(zhì)折射率產(chǎn)生相應(yīng)的周期性變化，相當(dāng)于形成一個布拉格光柵，當(dāng)光波通過該介質(zhì)時會產(chǎn)生衍射實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。聲光調(diào)制器的激光偏轉(zhuǎn)角為2倍的聲光衍射布拉格角，它可由布拉格方程給出：

(1)

式中，θB為布拉格角，λ為激光波長，fs為聲波頻率，vs為聲光晶體內(nèi)的聲速。CO2激光聲光調(diào)制器的聲光驅(qū)動聲波頻率為40.68 MHz，它在Ge晶體內(nèi)的聲速為5.5 mm/μs，計算可得激光偏轉(zhuǎn)角度為4.4°。

實驗中對聲光調(diào)制器在腔外的偏轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 激光偏轉(zhuǎn)測量裝置Fig.1 Setup for laser deflection measurement

當(dāng)聲光調(diào)制器未加射頻驅(qū)動信號時，聲光調(diào)制器為普通Ge晶體，此時光路無偏轉(zhuǎn)，如圖1(a)所示，激光沿著0級衍射光方向傳輸。當(dāng)聲光調(diào)制器加40.68 MHz的射頻驅(qū)動信號時，聲光調(diào)制器等效為體布拉格光柵，此時光路偏轉(zhuǎn)，激光沿著1級衍射光方向傳輸，如圖1(b)所示，根據(jù)實際測量，衍射角為4.4°，與理論計算結(jié)果相符。當(dāng)給40.68 MHz的射頻驅(qū)動信號加上1 kHz、占空比為1∶1的調(diào)制信號時，激光將以1 kHz的頻率在0級衍射光和1級衍射光間快速切換，如圖1(c)所示，聲光調(diào)制器1級衍射效率約為92%，因此1級衍射光弱于0級光，通過優(yōu)化調(diào)制信號的占空比，可提升1級衍射光強度。

采用單頻CO2激光器進(jìn)行聲光調(diào)制器移頻特性測量，移頻前后激光信號的快速傅立葉分析頻譜如圖2所示。圖2(a)為單次經(jīng)過聲光調(diào)制器的傅立葉分析頻譜，移頻量為40.6 MHz(1倍的射頻驅(qū)動信號)，其與聲光調(diào)制器所加射頻驅(qū)動信號頻率一致。而激光往返兩次經(jīng)聲光調(diào)制器后，測得的傅立葉分析頻譜如圖2(b)所示，此時的移頻量為81.2 MHz(2倍的射頻驅(qū)動信號)。腔內(nèi)插入聲光調(diào)制器時，激光在腔內(nèi)往返振蕩的過程中移頻量將依次疊加。通常，直流放電CO2激光器充氣壓較低(kPa量級)，其增益線寬約為100 MHz[16]，即激光諧振數(shù)次，頻率便移出增益線寬范圍，無法形成有效的激光振蕩，因此，必須考慮激光聲光移頻補償?shù)膯栴}。

圖2 快速傅立葉分析頻譜圖Fig.2 FFT analytical spectra

3 CO2激光器波長調(diào)諧實驗研究

3.1 實驗裝置

采用的實驗裝置如圖3所示，其中后反射鏡、聲光調(diào)制器2、聲光調(diào)制器1、光闌、激光增益管、輸出鏡組成偏轉(zhuǎn)光路；光柵、聲光調(diào)制器2、光闌、激光增益管、輸出鏡組成直線光路。聲光調(diào)制器1不加射頻驅(qū)動信號時，直線光路工作，此時，通過100線/mm的光柵選支可實現(xiàn)直線光路CO2激光可調(diào)諧輸出。聲光調(diào)制器1加射頻驅(qū)動信號時，光路中設(shè)置聲光調(diào)制器2，二者間距500 mm，激光橫向偏移量約為38.4 mm，以保證器件間對光路無遮擋。偏轉(zhuǎn)光路中的兩個聲光調(diào)制器射頻驅(qū)動頻率一致，超聲波發(fā)生器設(shè)置在光軸兩側(cè)，在單次振蕩過程中實時補償聲光移頻，此時全反射鏡與輸出鏡組成諧振腔實現(xiàn)增益最強的10P(20)支激光輸出。在TEA 或射頻激勵的高增益激光器中，偏轉(zhuǎn)光路的全反射鏡也可更換為光柵，實現(xiàn)兩路激光的任意支譜線可調(diào)諧同光路輸出。

圖3 快調(diào)諧脈沖CO2激光器實驗裝置Fig.3 Experimental device of rapidly tunable pulsed CO2laser

兩路激光共用一個激光增益區(qū)，為實現(xiàn)調(diào)Q脈沖輸出，必須在時間上有一個上能級粒子數(shù)積累過程，因此，需對聲光調(diào)制器1、2的驅(qū)動時序進(jìn)行精確控制，實驗采用的聲光調(diào)制器驅(qū)動時序如圖4所示。

圖4 聲光調(diào)制器時序控制示意圖Fig.4 Schematic of sequential control of the acousto-optic modulator

聲光調(diào)制器時序邏輯設(shè)定為：高電平光路偏轉(zhuǎn)(1級衍射光方向)，低電平光路不偏轉(zhuǎn)(0級衍射光方向)。快調(diào)諧激光器在單個時序控制周期內(nèi)工作過程為：(a)τ1時刻，聲光調(diào)制器1偏轉(zhuǎn)，聲光調(diào)制器2不偏轉(zhuǎn)，無激光輸出，增益區(qū)積累上能級粒子數(shù)直至τ2時刻；(b)τ2時刻，聲光調(diào)制器1、2均偏轉(zhuǎn)，增益區(qū)積累的上能級粒子數(shù)瞬間在偏轉(zhuǎn)光路中以巨脈沖的形式輸出；(c)τ3時刻，聲光調(diào)制器1偏轉(zhuǎn)，聲光調(diào)制器2不偏轉(zhuǎn)，無激光輸出，增益區(qū)積累上能級粒子數(shù)直至τ4時刻；(d)τ4時刻，聲光調(diào)制器1、2均不偏轉(zhuǎn)，增益區(qū)積累的上能級粒子數(shù)瞬間在直線光路中以巨脈沖的形式輸出。從而，可以實現(xiàn)在一個時序控制周期內(nèi)，實現(xiàn)激光快調(diào)諧輸出。實驗過程中，通過調(diào)整聲光調(diào)制器1、2的占空比和延遲時間，可適當(dāng)改變上能級粒子數(shù)的積累時間，優(yōu)化雙光路激光的激光功率。

3.2 實驗結(jié)果與分析

實驗中，激光器放電電流可調(diào)節(jié)范圍8～16 mA，連續(xù)輸出功率最高為22 W，插入聲光調(diào)制器1后，連續(xù)輸出功率下降到9.5 W。在TTL觸發(fā)信號控制下，聲光調(diào)制器1、2協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)脈沖CO2激光雙波長快調(diào)諧輸出。實驗中，重復(fù)頻率為500 Hz時輸出性能最佳(雙波長、雙脈沖輸出，等效頻率為1 kHz)，這與CO2激光1 ms的上能級壽命相符。此時偏轉(zhuǎn)光路中波長為10.59 μm的10P(20)分支激光功率最高為0.86 W，直線光路中激光波長可調(diào)諧，10P(20)分支譜線激光功率最高，平均功率為1.24 W。采用CO2激光譜線分析儀對快調(diào)諧激光波長進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，兩路激光可以同光路輸出，且波長調(diào)諧范圍涵蓋CO2激光9.3～10.6 μm全波段。

圖5 CO2激光雙譜線Fig.5 Double lines of CO2laser

采用HgCdTe光電探測器對兩路激光切換時間進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，聲光調(diào)制器運行在500 Hz，HgCdTe探測器測得A、B兩組脈沖激光信號，A組電壓幅值約為1.7 mV， B組電壓幅值約為0.65 mV，且兩個脈沖信號交替出現(xiàn)，激光器交替穩(wěn)定輸出兩個波長的激光，雙波長激光切換時間約為1 ms。聲光調(diào)制器聲頻擾動影響了脈沖幅值穩(wěn)定性。偏轉(zhuǎn)光路與直線光路的激光脈寬如圖7所示，分別為220 ns和280 ns，偏轉(zhuǎn)光路等效為雙調(diào)Q，因而具有更窄的激光脈寬。

圖6 雙波長激光器快調(diào)諧波形Fig.6 Rapidly tunable waveform of double wavelength laser

圖7 激光脈沖寬度Fig.7 Laser pulse width

4 結(jié) 論

采用外腔法研究了聲光調(diào)制器的工作特性，實驗測試的聲光調(diào)制器偏轉(zhuǎn)角度為4.4°，與聲光布拉格衍射角的理論計算結(jié)果相符，可滿足偏轉(zhuǎn)光路與直線光路在空間位置上有效分離的應(yīng)用需求。采用穩(wěn)頻CO2激光器對聲光調(diào)制器的移頻量進(jìn)行實驗測試，發(fā)現(xiàn)往返兩次經(jīng)聲光調(diào)制器時移頻量累次疊加，因此，在窄增益帶寬激光偏轉(zhuǎn)光路中須考慮移頻補償問題。進(jìn)而開展基于聲光調(diào)制器的快調(diào)諧CO2激光器實驗研究，在偏轉(zhuǎn)光路中沿光軸對稱設(shè)置兩個射頻驅(qū)動頻率一致的聲光調(diào)制器實現(xiàn)聲光移頻補償。最終，在聲光調(diào)制器時序控制下，通過光柵選支，實現(xiàn)CO2激光全波段快速調(diào)諧輸出，可將CO2激光及波長切換時間縮短至毫秒量級。選定激光波長的切換時間在毫秒量級，脈寬為200～300 ns，且雙波長切換速度不受CO2激光躍遷譜帶的限制。