專利名稱：光柵選支快速調諧激光諧振腔的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光技術領域，特別是一種可實現快速調諧的光柵選支可調諧激光諧振腔。
背景技術：
隨著現代工業的發展，大氣污染變得愈來愈嚴重。由于激光的單色性好、相干性好、方向性高、高亮度和大功率等特點，激光差分吸收雷達(Differential Absorption Lidar(DIAL))是遙測大氣中微量有毒氣體和污染氣體的一種有效工具。可調諧脈沖激光器因為具有良好的波長可調諧性，大氣污染物種類多，在可調諧脈沖激光器光譜區內許多物質有強烈的吸收峰，所以，可調諧脈沖激光器是激光差分吸收雷達的理想光源。但是，為了能夠在大氣“凍結”時間內發射兩束不同波長的激光，得到精確的測量結果，同時也為了能夠以自動掃描方式快速得到一個區域的大氣測量結果，這就要求可調諧脈沖激光器能重復頻率工作和快速調諧。差分吸收雷達光源的發展趨勢是使用一臺快速調諧激光裝置，其在控制、體積、造價等諸多方面能夠滿足實際應用的要求。由于光柵選支諧振腔結構簡單、易于控制，故其是最常采用的一種方法。而常用的可調諧脈沖激光器快速調諧技術主要有旋轉多面光柵法、振鏡+固定光柵法、多面體旋轉棱鏡+固定光柵法、單片機控制高頻步進電機旋轉光柵法等。這些方法雖然都可實現快速調諧，但存在造價高、抗電磁干擾能力較差，控制實現難、不能實現閉環控制、定位精度差，重現性不理想、穩定性不高等諸多缺點。
發明內容
本發明的目的在于為激光快速調諧技術研究提供一種實用、可靠的激光諧振腔。光柵選支快速調諧激光諧振腔，初步實現了激光器的快速調諧。該發明可應用于激光大氣探測、激光化學、激光加工等領域。
為實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種光柵選支快速調諧激光諧振腔，包括腔體、輸出鏡、光柵、光柵轉臺、伺服電機、伺服電機驅動模塊以及自動控制模塊等部分；其伺服電機與光柵轉臺連接，為光柵轉臺的驅動機構，給光柵轉臺提供旋轉動力，并與伺服電機驅動模塊電連接；自動控制模塊包括計算機、運動控制卡和調諧觸發控制電路，運動控制卡分別和調諧觸發控制電路、伺服電機驅動模塊電連接，其輸出端與計算機交互通信，調諧觸發控制電路又與激光器觸發開關電連接；其工作流程是在伺服電機轉動過程中，伺服電機驅動模塊中的定位反饋元件對光柵的精確轉動位置實時探測及反饋信息，運動控制卡接收定位反饋元件的信號后，與計算機交互通信，利用計算機的自動控制軟件，控制伺服電機驅動模塊驅動伺服電機帶動光柵快速而精確的轉動，通過控制光柵的轉動角度達到對激光波長的選擇，在光柵轉到所需激光波長位置時，運動控制卡控制調諧觸發控制電路同步觸發激光器，使若干支激光波長有序輸出，而完成整個諧振腔快速調諧。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述輸出鏡和光柵共一光軸，且光柵法線與光軸成自準直角。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述伺服電機是交流伺服電機，或直流伺服電機，或直接驅動伺服電機，或帶有連接機構的伺服電機。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述光柵為反射式平面衍射光柵或反射式球面衍射光柵。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述輸出鏡為部分反射部分透射球面或平面鏡，其透過率為1％-99％。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述伺服電機驅動模塊中的定位反饋元件是編碼器，或是圓光柵。
所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其所述自動控制模塊是DSP系統，或是專業運動控制PLC系統，或是專用控制系統。
本發明給出了一種新的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其調諧速度快、調諧范圍大、調諧精度高，適用于脈沖CO2激光器、脈沖CO激光器、脈沖HF/DF激光器等多種可調諧脈沖激光器，可應用于激光大氣探測、激光化學、激光加工等領域。
圖1為本發明光柵選支快速調諧激光諧振腔結構示意圖；圖2為激光諧振腔運行過程中調諧觸發控制電路的調諧觸發信號圖，其中，圖2(a)為激光諧振腔完成一次CO2激光最遠兩支較強譜線9R(20)、10P(20)掃描的調諧觸發信號圖，圖2(b)為激光諧振腔完成一次同一個躍遷帶范圍相鄰兩支譜線10P(20)、10P(22)掃描的調諧觸發信號圖；圖3為增益較高的最遠兩支較強譜線9R(20)、10P(20)及譜線10P(22)聚焦后的激光輸出光斑和對應的平均能量(E)示意圖。
具體實施例方式
為進一步說明本發明的特征和結構，下面結合附圖對本發明作詳細描述。
圖1為光柵選支快速調諧激光諧振腔裝置示意圖，圖中，分光板4，能量計5和光譜儀6，能量計5用來測量輸出激光能量，光譜儀6用來測量輸出激光譜線波長。
本發明的光柵選支快速調諧激光諧振腔由腔體(圖中沒示出)、激光輸出鏡3、光柵1、光柵轉臺11、伺服電機2、伺服電機驅動模塊9以及自動控制模塊等部分組成。伺服電機2與光柵轉臺11連接，為光柵轉臺11的驅動機構，給光柵轉臺11提供旋轉動力，并與伺服電機驅動模塊9電連接。
自動控制模塊包括計算機8、運動控制卡10和調諧觸發控制電路7，運動控制卡10分別和調諧觸發控制電路7、伺服電機驅動模塊9電連接，其輸出端與計算機8交互通信，調諧觸發控制電路7又與激光器觸發開關電連接。
激光輸出鏡3和光柵1共一光軸，且光柵法線與光軸成Littrow角(即自準直角)。
伺服電機2及伺服電機驅動模塊9是動力驅動元件，是快速調諧系統的核心，伺服電機驅動模塊9中的定位反饋元件完成對電機位置等參數的實時監控反饋。伺服電機2及伺服電機驅動模塊9的主要作用是驅動光柵1快速而精確的轉動，通過控制光柵1的轉動角度達到對激光波長的選擇，最后實現若干支激光波長的有序輸出。自動控制模塊主要包括上位控制(包括計算機8和運動控制卡10)和調諧觸發控制電路7，其主要作用是通過控制伺服電機驅動模塊9使光柵1轉到所需激光波長對應轉角的同時，同步觸發激光器實現激光波長的有序輸出。上位控制部分控制伺服電機2旋轉和接收定位反饋元件的反饋信號，并在光柵1轉到所需激光波長位置時控制調諧觸發控制電路7同步觸發激光器，從而完成整個諧振腔快速調諧的目的。
如圖1所示，以實現整個CO2激光光譜范圍任意兩支譜線和同一個躍遷帶范圍相鄰兩支譜線的快速調諧為例，根據相應的自準光柵方程2dsinα＝λ(其中，d是光柵常數，λ是激光波長，α是光柵衍射角)，當伺服電機2帶動光柵1轉動時，激光束就會以不同的角度入射到光柵1上，當伺服電機驅動模塊9中的定位反饋元件實時探測到光柵1的實際位置，為擬定波長位置時自動控制模塊輸出定位完成信號，經調諧觸發控制電路7轉換為調諧觸發信號同步觸發激光器，從而可以實現若干支激光波長的有序輸出。
光柵選支快速調諧激光諧振腔的控制程序是基于Windows操作界面下，由運動控制卡10的運行軟件New SigmaWin+及相應的調試開發工具完成的。我們所編寫的程序只需通過簡單的參數修改就可實現在整個CO2激光光譜范圍內任意兩支譜線和同一個躍遷帶范圍相鄰兩支譜線的快速調諧。
實驗中我們采用的激光器是中國科學院電子學研究所研制的高重復脈沖頻率TEA CO2激光器，單脈沖能量為13J，半極大值處全寬度約200ns；激光諧振腔由一級衍射效率達95％的閃耀光柵與曲率半徑為10m、反射率為65％的凹面鏡組成；光柵處于自準直狀態，采用光柵的一級衍射作為激光振蕩反饋，光柵為平面反射型衍射光柵，其常數為100line/mm。
采用的伺服電機為直驅交流伺服電機，與其配套的驅動模塊為直驅伺服電機驅動器，電機的額定功率為105W，額定轉速為200rpm，絕對定位精度為15角秒，重復定位精度為1.3角秒，角加速度為980rad/s2；采用的定位反饋元件為20位高精度光電編碼器，其角分辨率為1.24角秒；采用的上位控制為基于計算機的運動控制卡。
采用上述裝置進行實驗重點研究了CO2激光光譜范圍內增益較高的最遠兩支譜線9R(20)、10P(20)和同一個躍遷帶范圍相鄰兩支譜線10P(20)、10P(22)的輸出特性。整個快速調諧激光諧振腔在動態快速觸發情況下，分別以輸出以上幾支譜線為例，圖2為系統運行過程中調諧觸發控制電路的觸發信號圖，圖2中CH1通道的脈沖信號表示運動控制卡輸出的各支譜線的定位完成信號，CH2通道中的脈沖信號表示同步觸發電路輸出的各支譜線的調諧觸發信號，圖2中縱向時間軸每格表示10ms。圖2(a)中激光諧振腔完成一次CO2激光最遠兩支較強譜線9R(20)、10P(20)掃描需要60ms。當激光諧振腔對同一個躍遷帶范圍相鄰兩支譜線進行掃描，調諧時間可大大縮短，圖2(b)為激光諧振腔完成一次對10P(20)、10P(22)兩支譜線的掃描需要20ms。測量儀器測量的以上三支譜線聚焦后的激光輸出光斑和對應的平均能量(E)如圖3所示。
綜上所述，本發明所提出的光柵選支快速調諧激光諧振腔，首次采用伺服電機驅動光柵高速旋轉和精確定位，對光柵的精確轉動位置實時探測并通過自動控制軟件和硬件，協調控制光柵的位置和激光器的觸發，實現了重復頻率運轉方式下激光諧振腔的快速調諧。
權利要求
1.一種光柵選支快速調諧激光諧振腔，包括腔體、輸出鏡、光柵、光柵轉臺、伺服電機、伺服電機驅動模塊以及自動控制模塊等部分；其特征在于，伺服電機與光柵轉臺連接，為光柵轉臺的驅動機構，給光柵轉臺提供旋轉動力，并與伺服電機驅動模塊電連接；自動控制模塊包括計算機、運動控制卡和調諧觸發控制電路，運動控制卡分別和調諧觸發控制電路、伺服電機驅動模塊電連接，其輸出端與計算機交互通信，調諧觸發控制電路又與激光器觸發開關電連接；其工作流程是在伺服電機轉動過程中，伺服電機驅動模塊中的定位反饋元件對光柵的精確轉動位置實時探測及反饋信息，運動控制卡接收定位反饋元件的信號后，與計算機交互通信，利用計算機的自動控制軟件，控制伺服電機驅動模塊驅動伺服電機帶動光柵快速而精確的轉動，通過控制光柵的轉動角度達到對激光波長的選擇，在光柵轉到所需激光波長位置時，運動控制卡控制調諧觸發控制電路同步觸發激光器，使若干支激光波長有序輸出，而完成整個諧振腔快速調諧。
2.如權利要求1所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述輸出鏡和光柵共一光軸，且光柵法線與光軸成自準直角。
3.如權利要求1所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述伺服電機是交流伺服電機，或直流伺服電機，或直接驅動伺服電機，或帶有連接機構的伺服電機。
4.如權利要求1或2所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述光柵為反射式平面衍射光柵或反射式球面衍射光柵。
5.如權利要求1或2所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述輸出鏡為部分反射部分透射球面或平面鏡，其透過率為1％-99％。
6.如權利要求1所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述伺服電機驅動模塊中的定位反饋元件是編碼器，或是圓光柵。
7.如權利要求1所述的光柵選支快速調諧激光諧振腔，其特征在于，所述自動控制模塊是DSP系統，或是專業運動控制PLC系統，或是專用控制系統。
全文摘要
本發明一種光柵選支快速調諧激光諧振腔，涉及激光技術，該激光諧振腔用伺服電機驅動光柵轉臺高速旋轉和精確定位，實現光柵選支激光器的快速譜線調諧。該激光諧振腔由腔體、激光輸出鏡、光柵、光柵轉臺、伺服電機、伺服電機驅動模塊及自動控制模塊等部分組成，其中的輸出鏡為部分反射部分透射型球面鏡或平面鏡，光柵為反射式平面或球面衍射光柵。輸出鏡和光柵共一光軸，且光柵法線與光軸成自準直角。本發明實現了光柵選支激光器的快速調諧輸出，有調諧速度快、調諧范圍大、調諧精度高等優點。適用于脈沖CO
文檔編號H01S3/10GK101071929SQ20061007821
公開日2007年11月14日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者譚榮清, 程永強, 王永, 劉世明, 張闊海, 柯常軍, 王東蕾, 陳靜 申請人:中國科學院電子學研究所