聲光偏轉快調諧脈沖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.解放軍電子工程學院 脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230037；2.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；3.中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

CO2激光器具有良好的波長可調諧性，在9～11 μm范圍內擁有百余條譜線，對應了多種大氣污染物的吸收峰，在激光差分吸收雷達、激光測距、激光監(jiān)聽等領域具有重要的應用前景[1-5]。激光差分吸收雷達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果，要求在大氣“凍結”時間內發(fā)射兩束不同波長的激光，因而，脈沖CO2激光快調諧技術備受關注[6]。

快速旋轉波長調諧器件是脈沖CO2激光快調諧領域的常用技術。Dvaid等人報道了高重復頻率多波長脈沖CO2激光雷達系統[7]，其中的快調諧激光器利用振鏡和固定光柵法實現了CO2激光器的快調諧輸出。Faxvog等人通過旋轉多面體光柵并同時控制激光器的放電時間，使光柵旋轉到相應輸出譜線對應的入射角度，利用多面體光柵的每一刻面，選出單一波長激光輸出[8]。哈工大曲彥臣團隊采用6面轉鏡和固定光柵組成的同步觸發(fā)控制系統實現波長快調諧[9-10]，轉鏡在持續(xù)轉動時能使激光束以不同的角度入射到光柵上，從而可實現若干支波長激光單調有序的選出，波長調諧時間約為10 ms。北京電子所譚榮清團隊采用直驅交流伺服電機驅動光柵高速旋轉和精確定位技術實現激光波長快速調諧[11]，動態(tài)快速觸發(fā)時，在60 ms內實現了整個CO2激光光譜任意兩條譜線調諧輸出，在20 ms內實現同一個躍遷帶內相鄰兩條譜線的調諧輸出。本團隊也開展了脈沖CO2激光器波長調諧方面的研究，獲得了60余條激光譜線輸出[12-15]，在此基礎上，進一步開展了基于聲光偏轉的快調諧脈沖CO2激光技術研究。

本文首先通過實驗研究了聲光調制器的工作特性，實驗測試了聲光偏轉角和聲光移頻量，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。進而，基于腔內聲光偏轉，搭建了聲光快調諧實驗裝置，實現了CO2激光雙波長快調諧輸出。

2 聲光調制器特性

聲光調制器的工作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，相當于形成一個布拉格光柵，當光波通過該介質時會產生衍射實現光束偏轉。聲光調制器的激光偏轉角為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為聲光晶體內的聲速。CO2激光聲光調制器的聲光驅動聲波頻率為40.68 MHz，它在Ge晶體內的聲速為5.5 mm/μs，計算可得激光偏轉角度為4.4°。

實驗中對聲光調制器在腔外的偏轉特性進行測量，結果如圖1所示。

圖1 激光偏轉測量裝置Fig.1 Setup for laser deflection measurement

當聲光調制器未加射頻驅動信號時，聲光調制器為普通Ge晶體，此時光路無偏轉，如圖1(a)所示，激光沿著0級衍射光方向傳輸。當聲光調制器加40.68 MHz的射頻驅動信號時，聲光調制器等效為體布拉格光柵，此時光路偏轉，激光沿著1級衍射光方向傳輸，如圖1(b)所示，根據實際測量，衍射角為4.4°，與理論計算結果相符。當給40.68 MHz的射頻驅動信號加上1 kHz、占空比為1∶1的調制信號時，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激光器進行聲光調制器移頻特性測量，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)為單次經過聲光調制器的傅立葉分析頻譜，移頻量為40.6 MHz(1倍的射頻驅動信號)，其與聲光調制器所加射頻驅動信號頻率一致。而激光往返兩次經聲光調制器后，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倍的射頻驅動信號)。腔內插入聲光調制器時，激光在腔內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的問題。

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、聲光調制器2、聲光調制器1、光闌、激光增益管、輸出鏡組成偏轉光路；光柵、聲光調制器2、光闌、激光增益管、輸出鏡組成直線光路。聲光調制器1不加射頻驅動信號時，直線光路工作，此時，通過100線/mm的光柵選支可實現直線光路CO2激光可調諧輸出。聲光調制器1加射頻驅動信號時，光路中設置聲光調制器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。偏轉光路中的兩個聲光調制器射頻驅動頻率一致，超聲波發(fā)生器設置在光軸兩側，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，偏轉光路的全反射鏡也可更換為光柵，實現兩路激光的任意支譜線可調諧同光路輸出。

圖3 快調諧脈沖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)，為實現調Q脈沖輸出，必須在時間上有一個上能級粒子數積累過程，因此，需對聲光調制器1、2的驅動時序進行精確控制，實驗采用的聲光調制器驅動時序如圖4所示。

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

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

3.2 實驗結果與分析

實驗中，激光器放電電流可調節(jié)范圍8～16 mA，連續(xù)輸出功率最高為22 W，插入聲光調制器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，聲光調制器1、2協調工作，實現脈沖CO2激光雙波長快調諧輸出。實驗中，重復頻率為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諧激光波長進行測試，結果如圖5所示。結果顯示，兩路激光可以同光路輸出，且波長調諧范圍涵蓋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行測試，結果如圖6所示。

如圖6所示，聲光調制器運行在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，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。聲光調制器聲頻擾動影響了脈沖幅值穩(wěn)定性。偏轉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，偏轉光路等效為雙調Q，因而具有更窄的激光脈寬。

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

圖7 激光脈沖寬度Fig.7 Laser pulse width

4 結 論

采用外腔法研究了聲光調制器的工作特性，實驗測試的聲光調制器偏轉角度為4.4°，與聲光布拉格衍射角的理論計算結果相符，可滿足偏轉光路與直線光路在空間位置上有效分離的應用需求。采用穩(wěn)頻CO2激光器對聲光調制器的移頻量進行實驗測試，發(fā)現往返兩次經聲光調制器時移頻量累次疊加，因此，在窄增益帶寬激光偏轉光路中須考慮移頻補償問題。進而開展基于聲光調制器的快調諧CO2激光器實驗研究，在偏轉光路中沿光軸對稱設置兩個射頻驅動頻率一致的聲光調制器實現聲光移頻補償。最終，在聲光調制器時序控制下，通過光柵選支，實現CO2激光全波段快速調諧輸出，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。