本發(fā)明涉及脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，具體地說是一種橫流氣動(dòng)激光脈沖化(MOPA結(jié)構(gòu))的方法,主要用于CO₂激光器、化學(xué)氧碘激光器(COIL)、HF/DF激光器等氣體激光器上。

背景技術(shù)：

按照激光出光工作時(shí)間可將激光器分為脈沖激光和連續(xù)激光，兩種形式的激光具有各自不同應(yīng)用和不同技術(shù)優(yōu)勢。一般情況下，脈沖激光要比連續(xù)波激光器復(fù)雜，需要相應(yīng)的調(diào)Q方法，以實(shí)現(xiàn)脈沖激光。另一方面，脈沖激光具有較高的峰值功率，但整體激光效率不高。

目前連續(xù)波脈沖化的調(diào)Q方法較多，如：聲光調(diào)Q、染料調(diào)Q、斬波調(diào)Q等方法，這些方法都需要一定特殊裝置，不是實(shí)施過程較復(fù)雜，就是能量損失較大。而在高能橫流氣動(dòng)激光器上，直接采用這些方法，其光學(xué)元件較易達(dá)到損失閾值，造成光學(xué)調(diào)Q器件的損傷或損壞。因此人們一直探尋實(shí)現(xiàn)高能激光調(diào)Q的實(shí)現(xiàn)方法，尤其像氧碘化學(xué)激光這樣以化學(xué)原料為能源的激光體，激光輸出能量較高，增益系數(shù)低，但模體積大，能量高的體系，實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光是一項(xiàng)重大難題。。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種橫流高能氣體脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，減小激光的能量損失，提高激光器脈沖能量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種橫流氣體MOPA結(jié)構(gòu)脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，用于橫流氣體激光器，在增益區(qū)增益介質(zhì)流動(dòng)方向上，將橫流氣體激光器的增益區(qū)分為上游增益區(qū)和下游增益區(qū)，在下游增益區(qū)兩側(cè)設(shè)置有激光諧振腔組件A，在增益介質(zhì)流過該區(qū)域時(shí)通過聲光調(diào)Q器實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出，作為激光器系統(tǒng)的種子激光，注入到上游增益區(qū)的諧振腔組件B中，進(jìn)行激光能量和光斑尺寸的放大，最終經(jīng)過刮刀鏡，輸出高能脈沖激光，構(gòu)成激光器體系；

下游增益區(qū)左側(cè)設(shè)有第一凹面全反鏡，右側(cè)從左至右依次設(shè)有擴(kuò)束鏡組、聲光調(diào)Q器、偏振透過鏡和耦合輸出鏡，第一凹面全反鏡與耦合輸出鏡相對設(shè)置，由第一凹面全反鏡、擴(kuò)束鏡組、聲光調(diào)Q器、偏振透過鏡和耦合輸出鏡形成光學(xué)諧振腔A。在增益介質(zhì)流經(jīng)光學(xué)諧振腔A時(shí)，將形成 激光震蕩，輸出脈沖激光。由于聲光調(diào)Q器的尺寸限制，采用擴(kuò)束鏡組增大激光模體積，縮小激光輸出光斑尺寸，擴(kuò)束鏡組包括沿光路方向依次設(shè)置的聚焦透鏡和發(fā)散透鏡。在下游輸出直徑為0.5-3mm脈沖激光光束，經(jīng)過偏振反射鏡、透過1/4波片、通過全反鏡，將脈沖激光通過第二凹面全反鏡的小孔注入到上游增益區(qū)作為種子激光，種子激光在上游增益區(qū)由四個(gè)腔鏡構(gòu)成的折疊正支非穩(wěn)腔內(nèi)，進(jìn)行來回反射，其能量和光斑均得到放大，最后激光光束照射到刮刀鏡上得到激光輸出，實(shí)現(xiàn)增益區(qū)上游的能量提取，實(shí)現(xiàn)高能量脈沖輸出。

所述增益介質(zhì)由設(shè)置于上游增益區(qū)外側(cè)的增益介質(zhì)發(fā)生器提供；增益介質(zhì)發(fā)生器可為電泵浦CO₂、超音速氧碘激光增益發(fā)生器或HF/DF燃燒氣動(dòng)增益發(fā)生器等，對應(yīng)的橫流氣體激光器可為CO2激光器、氧碘化學(xué)激光器或HF/DF激光器等；

所述光學(xué)諧振腔A內(nèi)垂直于激光光軸方向通入有增益介質(zhì)形成下游增益區(qū)，增益區(qū)增益介質(zhì)流動(dòng)方向垂直于激光光軸方向；于光學(xué)諧振腔A外部增益介質(zhì)的流入方向上設(shè)有光學(xué)諧振腔B，于光學(xué)諧振腔B內(nèi)垂直于激光光軸方向流經(jīng)有增益介質(zhì)形成上游增益區(qū)，增益區(qū)增益介質(zhì)流動(dòng)方向垂直于激光光軸方向；即在增益區(qū)增益介質(zhì)流動(dòng)方向上，將橫流氣體激光器的增益區(qū)分為上游增益區(qū)和下游增益區(qū)；

所述激光器主要是下游增益區(qū)與上游增益區(qū)相比較，上游增益區(qū)的增益較高，適合于激光能量的放大；

所述在上游增益區(qū)一側(cè)設(shè)置有凸面全反鏡、第二凹面全反鏡，在另一側(cè)設(shè)有二個(gè)成對垂直設(shè)置的45度全反鏡，45度全反鏡分別與凸面全反鏡、第二凹面全反鏡相對應(yīng)放置，于上游增益區(qū)與凸面全反鏡間設(shè)有刮刀鏡，形成非穩(wěn)腔，即光學(xué)諧振腔B；該非穩(wěn)腔耦合輸出率大于腔內(nèi)增益，因此在增益介質(zhì)流入到該非穩(wěn)腔時(shí)不能形成自激振蕩，只有在種子激光注入后，通過腔鏡來回反射，使得種子激光多次往返于上流增益區(qū)，因此其能量和束斑得到放大，最后在刮刀鏡得到激光能量輸出；

所述在下游增益區(qū)通體聲光調(diào)Q的方法產(chǎn)生具有較高能量的脈沖激光，此光束為小束斑激光，作為在上游增益區(qū)于光學(xué)諧振腔B內(nèi)激光放大的種子激光；

所述種子激光通過上游增益區(qū)一側(cè)凹面反射鏡上的小孔，注入到上游增益區(qū)中，注入種子激光一側(cè)的反射鏡中心留有小孔，小孔的中心與非穩(wěn)腔光軸重合，其直徑略大于種子激光斑直徑；

所述諧振反射鏡設(shè)置于增益區(qū)的外側(cè)。激光光學(xué)諧振腔A的放大率根據(jù)激光器的實(shí)際情況及需求選取，本發(fā)明下游增益區(qū)諧振腔既可以采用穩(wěn)定腔型又可采用非穩(wěn)腔型。本發(fā)明采用MOPA式結(jié)構(gòu)，實(shí)施結(jié)構(gòu)簡單，而光學(xué)諧振腔的具體形式可以根據(jù)實(shí)際情況自行選擇。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.實(shí)施簡單。采用激光自身的諧振腔設(shè)計(jì)和優(yōu)化，即能夠?qū)崿F(xiàn)本方案，無須其他相關(guān)技術(shù)手段。

2.光學(xué)諧振采用振-放式結(jié)構(gòu)(即MOPA結(jié)構(gòu))。該方案激光振蕩在下游，再將下游的振蕩產(chǎn)生的脈沖激光反饋給上游，注入種子激光的多次放大和能量提取，實(shí)現(xiàn)高能氣體脈沖激光。

3.采用自身產(chǎn)生的高功率密度激光光束，對自身存儲(chǔ)能量的提取，能量提取效率高、光波長匹配性好。

4.充分利用增益介質(zhì)流動(dòng)性，在增益低的下游區(qū)域產(chǎn)生種子脈沖激光，而在增益高的上游區(qū)域進(jìn)行種子激光的放大，充分利用整個(gè)填充區(qū)域的增益介質(zhì)能量，所利用激光模體積大，有利于實(shí)現(xiàn)高能量脈沖激光輸出，同時(shí)減低了對激光元件的特殊要求。

附圖說明

圖1為橫流氣體MOPA結(jié)構(gòu)折疊光腔提取能量脈沖激光器原理示意圖；

圖2為橫流氣體MOPA結(jié)構(gòu)單次光腔提取能量脈沖激光器原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明依據(jù)橫流氣動(dòng)激光器增益介質(zhì)流動(dòng)的特點(diǎn)，在空間上充分考慮激光模體積，即激光增益介質(zhì)的空間體積，已增加其脈沖能量。由于增益介質(zhì)的自發(fā)輻射、淬滅等因素帶來介質(zhì)增益的衰減，在增益介質(zhì)流動(dòng)方向上逐漸衰減，因此需要根據(jù)增益介質(zhì)性質(zhì)及介質(zhì)流速的具體條件來確定介質(zhì)流動(dòng)方向的尺度。而橫流激光器增益介質(zhì)的特點(diǎn)是上游增益介質(zhì)增益高，下游增益低。所以提出了下游光腔采用聲光調(diào)Q實(shí)現(xiàn)脈沖激光(如圖1所示)，再使其在高增益的上游得到激光能量的放大，實(shí)現(xiàn)較高能量的脈沖輸出。而上、下游增益區(qū)增益下降，通過多次脈沖能量的輸出，提取增益區(qū)的存儲(chǔ)能量，當(dāng)這部分存儲(chǔ)能量提取盡后讓其流出增量空間，同時(shí)增益區(qū)內(nèi)填充新的、未進(jìn)行能量提取的高增益介質(zhì)，再次實(shí)現(xiàn)脈沖激光序列的輸出，然后再經(jīng)過上游增益區(qū)放大，形成循環(huán)反復(fù)的脈沖激光輸出過程。其脈沖激光輸出既有聲光調(diào)Q器實(shí)現(xiàn)的脈沖激光，由于增益介質(zhì)填充周期引入時(shí)間調(diào)制周期。

本發(fā)明工作原理是：采用振-放的工作模式(MOPA結(jié)構(gòu))，利用光學(xué)諧振腔的巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高能激光脈沖在高增益區(qū)內(nèi)多次振蕩放大，以實(shí)現(xiàn)激光上游增益區(qū)能量的有效提取。

下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明由增益介質(zhì)發(fā)生器1，上游增益區(qū)14，下游增益區(qū)3，下游激光諧振腔A，擴(kuò)束鏡組4，聲光調(diào)Q器5、偏振透過鏡6和耦合輸出鏡7形成光學(xué)諧振腔A；(如圖1所示)。

在上游增益區(qū)14一側(cè)設(shè)置有凸面全反鏡12、第二凹面全反鏡11，在另一側(cè)設(shè)有二個(gè)成對垂直設(shè)置的45度全反鏡1，45度全反鏡16分別與凸面全反鏡、第二凹面全反鏡相對應(yīng)放置，于上游增益區(qū)2與凸面全反鏡間設(shè)有刮刀鏡，形成非穩(wěn)腔，即光學(xué)諧振腔B；

在聲光調(diào)Q器5調(diào)Q作用下，光學(xué)諧振腔A內(nèi)形成調(diào)Q脈沖激光經(jīng)耦合輸出鏡輸出。

增益介質(zhì)發(fā)生器1對于不同體系的激光器其形式不同，主要是產(chǎn)生具有橫流特性的激光增益介質(zhì)，其具體形式不受限制，如：電泵浦CO₂，超音速氧碘激光增益發(fā)生器，HF/DF燃燒氣動(dòng)增益發(fā)生器等(本例采用超音速氧碘激光增益發(fā)生器)。增益介質(zhì)發(fā)生器1產(chǎn)生的增益介質(zhì)流經(jīng)上游增益區(qū)14,再流經(jīng)下游增益區(qū)3，最后流出增益區(qū)。激光諧振腔A位于下游增益區(qū)3的兩側(cè)，是下游增益區(qū)3的諧振腔，提出下游增益區(qū)能量輸出脈t沖激光。下游輸出的脈沖激光為0.5-3mm的光束，經(jīng)過偏振反射鏡8、透過1/4波片9、通過全反鏡10，注入光學(xué)諧振腔B內(nèi)，經(jīng)過上游非穩(wěn)腔組件B中第二凹面全反鏡11中心開有的、與光軸同軸的小孔，其小孔直徑比光束直徑大0.1mm左右，進(jìn)入到上游增益區(qū)中，在上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B的兩面反射鏡之間往復(fù)振蕩，實(shí)現(xiàn)增益區(qū)能量的多次提取。上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B由凹面鏡11、凸面鏡12、45度全反鏡1，45度全反鏡16和刮刀鏡13構(gòu)成。根據(jù)對激光模式的不同需求和激光增益介質(zhì)的特性，可以選擇不同激光諧振腔B，構(gòu)成穩(wěn)定腔或非穩(wěn)腔。所有激光波長反射鏡均鍍制高反膜。上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B的放大率選取依據(jù)上游增益長度和增益介質(zhì)的增益系數(shù)，在無光注入時(shí)，上游增益介質(zhì)在上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B的條件下，不能構(gòu)成起振，因此由上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B產(chǎn)生放大衍射輸出大于上游區(qū)的增益。脈沖激光出光周期為增益介質(zhì)流動(dòng)速度v比增益區(qū)在流動(dòng)方向的長度L，出光頻率和脈寬通過聲光調(diào)Q器控制。

實(shí)施例2

如圖2所示，與實(shí)施例1不同之處在于：如果上游增益區(qū)14沿氣流方向縮短，可以采用單次非穩(wěn)腔，使上游增益區(qū)沿增益介質(zhì)流動(dòng)方向長度減小一倍。這樣上游非穩(wěn)光學(xué)諧振腔B由第二凹面全反鏡11、凸面全反鏡12和刮刀鏡13構(gòu)成。第二凹面全反鏡11和凸面全反鏡12對設(shè)置在上游增益區(qū)14兩側(cè)，于上游增益區(qū)14與凸面全反鏡間設(shè)有刮刀鏡13。