一種橫流氣體脈沖激光器的制作方法

本發明涉及脈沖激光器的實現方法，具體地說是一種橫流氣動激光脈沖化(MOPA結構)的方法,主要用于CO₂激光器、化學氧碘激光器(COIL)、HF/DF激光器等氣體激光器上。

背景技術：

按照激光出光工作時間可將激光器分為脈沖激光和連續激光，兩種形式的激光具有各自不同應用和不同技術優勢。一般情況下，脈沖激光要比連續波激光器復雜，需要相應的調Q方法，以實現脈沖激光。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。

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

技術實現要素：

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

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種橫流氣體MOPA結構脈沖激光器的實現方法，用于橫流氣體激光器，在增益區增益介質流動方向上，將橫流氣體激光器的增益區分為上游增益區和下游增益區，在下游增益區兩側設置有激光諧振腔組件A，在增益介質流過該區域時通過聲光調Q器實現脈沖激光輸出，作為激光器系統的種子激光，注入到上游增益區的諧振腔組件B中，進行激光能量和光斑尺寸的放大，最終經過刮刀鏡，輸出高能脈沖激光，構成激光器體系；

下游增益區左側設有第一凹面全反鏡，右側從左至右依次設有擴束鏡組、聲光調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置，由第一凹面全反鏡、擴束鏡組、聲光調Q器、偏振透過鏡和耦合輸出鏡形成光學諧振腔A。在增益介質流經光學諧振腔A時，將形成 激光震蕩，輸出脈沖激光。由于聲光調Q器的尺寸限制，采用擴束鏡組增大激光模體積，縮小激光輸出光斑尺寸，擴束鏡組包括沿光路方向依次設置的聚焦透鏡和發散透鏡。在下游輸出直徑為0.5-3mm脈沖激光光束，經過偏振反射鏡、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作為種子激光，種子激光在上游增益區由四個腔鏡構成的折疊正支非穩腔內，進行來回反射，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，實現增益區上游的能量提取，實現高能量脈沖輸出。

所述增益介質由設置于上游增益區外側的增益介質發生器提供；增益介質發生器可為電泵浦CO₂、超音速氧碘激光增益發生器或HF/DF燃燒氣動增益發生器等，對應的橫流氣體激光器可為CO2激光器、氧碘化學激光器或HF/DF激光器等；

所述光學諧振腔A內垂直于激光光軸方向通入有增益介質形成下游增益區，增益區增益介質流動方向垂直于激光光軸方向；于光學諧振腔A外部增益介質的流入方向上設有光學諧振腔B，于光學諧振腔B內垂直于激光光軸方向流經有增益介質形成上游增益區，增益區增益介質流動方向垂直于激光光軸方向；即在增益區增益介質流動方向上，將橫流氣體激光器的增益區分為上游增益區和下游增益區；

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

所述在上游增益區一側設置有凸面全反鏡、第二凹面全反鏡，在另一側設有二個成對垂直設置的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放置，于上游增益區與凸面全反鏡間設有刮刀鏡，形成非穩腔，即光學諧振腔B；該非穩腔耦合輸出率大于腔內增益，因此在增益介質流入到該非穩腔時不能形成自激振蕩，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，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；

所述在下游增益區通體聲光調Q的方法產生具有較高能量的脈沖激光，此光束為小束斑激光，作為在上游增益區于光學諧振腔B內激光放大的種子激光；

所述種子激光通過上游增益區一側凹面反射鏡上的小孔，注入到上游增益區中，注入種子激光一側的反射鏡中心留有小孔，小孔的中心與非穩腔光軸重合，其直徑略大于種子激光斑直徑；

所述諧振反射鏡設置于增益區的外側。激光光學諧振腔A的放大率根據激光器的實際情況及需求選取，本發明下游增益區諧振腔既可以采用穩定腔型又可采用非穩腔型。本發明采用MOPA式結構，實施結構簡單，而光學諧振腔的具體形式可以根據實際情況自行選擇。

本發明具有以下優點：

1.實施簡單。采用激光自身的諧振腔設計和優化，即能夠實現本方案，無須其他相關技術手段。

2.光學諧振采用振-放式結構(即MOPA結構)。該方案激光振蕩在下游，再將下游的振蕩產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，實現高能氣體脈沖激光。

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

4.充分利用增益介質流動性，在增益低的下游區域產生種子脈沖激光，而在增益高的上游區域進行種子激光的放大，充分利用整個填充區域的增益介質能量，所利用激光模體積大，有利于實現高能量脈沖激光輸出，同時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結構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結構單次光腔提取能量脈沖激光器原理示意圖。

具體實施方式

本發明依據橫流氣動激光器增益介質流動的特點，在空間上充分考慮激光模體積，即激光增益介質的空間體積，已增加其脈沖能量。由于增益介質的自發輻射、淬滅等因素帶來介質增益的衰減，在增益介質流動方向上逐漸衰減，因此需要根據增益介質性質及介質流速的具體條件來確定介質流動方向的尺度。而橫流激光器增益介質的特點是上游增益介質增益高，下游增益低。所以提出了下游光腔采用聲光調Q實現脈沖激光(如圖1所示)，再使其在高增益的上游得到激光能量的放大，實現較高能量的脈沖輸出。而上、下游增益區增益下降，通過多次脈沖能量的輸出，提取增益區的存儲能量，當這部分存儲能量提取盡后讓其流出增量空間，同時增益區內填充新的、未進行能量提取的高增益介質，再次實現脈沖激光序列的輸出，然后再經過上游增益區放大，形成循環反復的脈沖激光輸出過程。其脈沖激光輸出既有聲光調Q器實現的脈沖激光，由于增益介質填充周期引入時間調制周期。

本發明工作原理是：采用振-放的工作模式(MOPA結構)，利用光學諧振腔的巧妙設計，實現高能激光脈沖在高增益區內多次振蕩放大，以實現激光上游增益區能量的有效提取。

下面通過實施例對本發明作進一步詳細說明。

實施例1

本發明由增益介質發生器1，上游增益區14，下游增益區3，下游激光諧振腔A，擴束鏡組4，聲光調Q器5、偏振透過鏡6和耦合輸出鏡7形成光學諧振腔A；(如圖1所示)。

在上游增益區14一側設置有凸面全反鏡12、第二凹面全反鏡11，在另一側設有二個成對垂直設置的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放置，于上游增益區2與凸面全反鏡間設有刮刀鏡，形成非穩腔，即光學諧振腔B；

在聲光調Q器5調Q作用下，光學諧振腔A內形成調Q脈沖激光經耦合輸出鏡輸出。

增益介質發生器1對于不同體系的激光器其形式不同，主要是產生具有橫流特性的激光增益介質，其具體形式不受限制，如：電泵浦CO₂，超音速氧碘激光增益發生器，HF/DF燃燒氣動增益發生器等(本例采用超音速氧碘激光增益發生器)。增益介質發生器1產生的增益介質流經上游增益區14,再流經下游增益區3，最后流出增益區。激光諧振腔A位于下游增益區3的兩側，是下游增益區3的諧振腔，提出下游增益區能量輸出脈t沖激光。下游輸出的脈沖激光為0.5-3mm的光束，經過偏振反射鏡8、透過1/4波片9、通過全反鏡10，注入光學諧振腔B內，經過上游非穩腔組件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，進入到上游增益區中，在上游非穩光學諧振腔B的兩面反射鏡之間往復振蕩，實現增益區能量的多次提取。上游非穩光學諧振腔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構成。根據對激光模式的不同需求和激光增益介質的特性，可以選擇不同激光諧振腔B，構成穩定腔或非穩腔。所有激光波長反射鏡均鍍制高反膜。上游非穩光學諧振腔B的放大率選取依據上游增益長度和增益介質的增益系數，在無光注入時，上游增益介質在上游非穩光學諧振腔B的條件下，不能構成起振，因此由上游非穩光學諧振腔B產生放大衍射輸出大于上游區的增益。脈沖激光出光周期為增益介質流動速度v比增益區在流動方向的長度L，出光頻率和脈寬通過聲光調Q器控制。

實施例2

如圖2所示，與實施例1不同之處在于：如果上游增益區14沿氣流方向縮短，可以采用單次非穩腔，使上游增益區沿增益介質流動方向長度減小一倍。這樣上游非穩光學諧振腔B由第二凹面全反鏡11、凸面全反鏡12和刮刀鏡13構成。第二凹面全反鏡11和凸面全反鏡12對設置在上游增益區14兩側，于上游增益區14與凸面全反鏡間設有刮刀鏡13。