CN100466402C - 光栅选支快速调谐激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明一种光栅选支快速调谐激光谐振腔，涉及激光技术，该激光谐振腔用伺服电机驱动光栅转台高速旋转和精确定位，实现光栅选支激光器的快速谱线调谐。该激光谐振腔由腔体、激光输出镜、光栅、光栅转台、伺服电机、伺服电机驱动模块及自动控制模块等部分组成，其中的输出镜为部分反射部分透射型球面镜或平面镜，光栅为反射式平面或球面衍射光栅。输出镜和光栅共一光轴，且光栅法线与光轴成自准直角。本发明实现了光栅选支激光器的快速调谐输出，有调谐速度快、调谐范围大、调谐精度高等优点。适用于脉冲CO₂激光器、脉冲CO激光器、脉冲HF/DF激光器等多种可调谐脉冲激光器，在激光大气探测、激光化学、激光加工等领域有广泛的应用前景。

Description

光栅选支快速调谐激光谐振腔

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是一种可实现快速调谐的光栅选支可调谐激光谐振腔。

背景技术

随着现代工业的发展，大气污染变得愈来愈严重。由于激光的单色性好、相干性好、方向性高、高亮度和大功率等特点，激光差分吸收雷达(Differential Absorption Lidar(DIAL))是遥测大气中微量有毒气体和污染气体的一种有效工具。可调谐脉冲激光器因为具有良好的波长可调谐性，大气污染物种类多，在可调谐脉冲激光器光谱区内许多物质有强烈的吸收峰，所以，可调谐脉冲激光器是激光差分吸收雷达的理想光源。但是，为了能够在大气“冻结”时间内发射两束不同波长的激光，得到精确的测量结果，同时也为了能够以自动扫描方式快速得到一个区域的大气测量结果，这就要求可调谐脉冲激光器能重复频率工作和快速调谐。差分吸收雷达光源的发展趋势是使用一台快速调谐激光装置，其在控制、体积、造价等诸多方面能够满足实际应用的要求。由于光栅选支谐振腔结构简单、易于控制，故其是最常采用的一种方法。而常用的可调谐脉冲激光器快速调谐技术主要有旋转多面光栅法、振镜+固定光栅法、多面体旋转棱镜+固定光栅法、单片机控制高频步进电机旋转光栅法等。这些方法虽然都可实现快速调谐，但存在造价高、抗电磁干扰能力较差，控制实现难、不能实现闭环控制、定位精度差，重现性不理想、稳定性不高等诸多缺点。

发明内容

本发明的目的在于为激光快速调谐技术研究提供一种实用、可靠的激光谐振腔。光栅选支快速调谐激光谐振腔，初步实现了激光器的快速调谐。该发明可应用于激光大气探测、激光化学、激光加工等领域。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种光栅选支快速调谐激光谐振腔，包括腔体、输出镜、光栅、光栅转台、伺服电机、伺服电机驱动模块以及自动控制模块等部分；其伺服电机与光栅转台连接，为光栅转台的驱动机构，给光栅转台提供旋转动力，并与伺服电机驱动模块电连接；

自动控制模块包括计算机、运动控制卡和调谐触发控制电路，运动控制卡分别和调谐触发控制电路、伺服电机驱动模块电连接，其输出端与计算机交互通信，调谐触发控制电路又与激光器触发开关电连接；

其工作流程是：在伺服电机转动过程中，伺服电机驱动模块中的定位反馈元件对光栅的精确转动位置实时探测及反馈信息，运动控制卡接收定位反馈元件的信号后，与计算机交互通信，利用计算机的自动控制软件，控制伺服电机驱动模块驱动伺服电机带动光栅快速而精确的转动，通过控制光栅的转动角度达到对激光波长的选择，在光栅转到所需激光波长位置时，运动控制卡控制调谐触发控制电路同步触发激光器，使若干支激光波长有序输出，而完成整个谐振腔快速调谐。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述输出镜和光栅共一光轴，且光栅法线与光轴成自准直角。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述伺服电机是交流伺服电机，或直流伺服电机，或直接驱动伺服电机，或带有连接机构的伺服电机。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述光栅为反射式平面衍射光栅或反射式球面衍射光栅。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述输出镜为部分反射部分透射球面或平面镜，其透过率为1％—99％。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述伺服电机驱动模块中的定位反馈元件是编码器，或是圆光栅。

所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其所述自动控制模块是DSP系统，或是专业运动控制PLC系统，或是专用控制系统。

本发明给出了一种新的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其调谐速度快、调谐范围大、调谐精度高，适用于脉冲CO₂激光器、脉冲CO激光器、脉冲HF/DF激光器等多种可调谐脉冲激光器，可应用于激光大气探测、激光化学、激光加工等领域。

附图说明

图1为本发明光栅选支快速调谐激光谐振腔结构示意图；

图2为激光谐振腔运行过程中调谐触发控制电路的调谐触发信号图，其中，图2(a)为激光谐振腔完成一次CO₂激光最远两支较强谱线9R(20)、10P(20)扫描的调谐触发信号图，图2(b)为激光谐振腔完成一次同一个跃迁带范围相邻两支谱线10P(20)、10P(22)扫描的调谐触发信号图；

图3为增益较高的最远两支较强谱线9R(20)、10P(20)及谱线10P(22)聚焦后的激光输出光斑和对应的平均能量(E)示意图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的特征和结构，下面结合附图对本发明作详细描述。

图1为光栅选支快速调谐激光谐振腔装置示意图，图中，分光板4，能量计5和光谱仪6，能量计5用来测量输出激光能量，光谱仪6用来测量输出激光谱线波长。

本发明的光栅选支快速调谐激光谐振腔由腔体(图中没示出)、激光输出镜3、光栅1、光栅转台11、伺服电机2、伺服电机驱动模块9以及自动控制模块等部分组成。伺服电机2与光栅转台11连接，为光栅转台11的驱动机构，给光栅转台11提供旋转动力，并与伺服电机驱动模块9电连接。

自动控制模块包括计算机8、运动控制卡10和调谐触发控制电路7，运动控制卡10分别和调谐触发控制电路7、伺服电机驱动模块9电连接，其输出端与计算机8交互通信，调谐触发控制电路7又与激光器触发开关电连接。

激光输出镜3和光栅1共一光轴，且光栅法线与光轴成Littrow角(即自准直角)。

伺服电机2及伺服电机驱动模块9是动力驱动元件，是快速调谐系统的核心，伺服电机驱动模块9中的定位反馈元件完成对电机位置等参数的实时监控反馈。伺服电机2及伺服电机驱动模块9的主要作用是驱动光栅1快速而精确的转动，通过控制光栅1的转动角度达到对激光波长的选择，最后实现若干支激光波长的有序输出。自动控制模块主要包括上位控制(包括计算机8和运动控制卡10)和调谐触发控制电路7，其主要作用是通过控制伺服电机驱动模块9使光栅1转到所需激光波长对应转角的同时，同步触发激光器实现激光波长的有序输出。上位控制部分控制伺服电机2旋转和接收定位反馈元件的反馈信号，并在光栅1转到所需激光波长位置时控制调谐触发控制电路7同步触发激光器，从而完成整个谐振腔快速调谐的目的。

如图1所示，以实现整个CO₂激光光谱范围任意两支谱线和同一个跃迁带范围相邻两支谱线的快速调谐为例，根据相应的自准光栅方程:2d sinα＝λ(其中，d是光栅常数，λ是激光波长，α是光栅衍射角)，当伺服电机2带动光栅1转动时，激光束就会以不同的角度入射到光栅1上，当伺服电机驱动模块9中的定位反馈元件实时探测到光栅1的实际位置，为拟定波长位置时自动控制模块输出定位完成信号，经调谐触发控制电路7转换为调谐触发信号同步触发激光器，从而可以实现若干支激光波长的有序输出。

光栅选支快速调谐激光谐振腔的控制程序是基于Windows操作界面下，由运动控制卡10的运行软件New Sigma Win⁺及相应的调试开发工具完成的。我们所编写的程序只需通过简单的参数修改就可实现在整个CO₂激光光谱范围内任意两支谱线和同一个跃迁带范围相邻两支谱线的快速调谐。

实验中我们采用的激光器是中国科学院电子学研究所研制的高重复脉冲频率TEA CO₂激光器，单脉冲能量为13J，半极大值处全宽度约200ns；激光谐振腔由一级衍射效率达95％的闪耀光栅与曲率半径为10m、反射率为65％的凹面镜组成；光栅处于自准直状态，采用光栅的一级衍射作为激光振荡反馈，光栅为平面反射型衍射光栅，其常数为100line/mm。

采用的伺服电机为直驱交流伺服电机，与其配套的驱动模块为直驱伺服电机驱动器，电机的额定功率为105W，额定转速为200rpm，绝对定位精度为15角秒，重复定位精度为1.3角秒，角加速度为980rad/s²；采用的定位反馈元件为20位高精度光电编码器，其角分辨率为1.24角秒；采用的上位控制为基于计算机的运动控制卡。

采用上述装置进行实验重点研究了CO₂激光光谱范围内增益较高的最远两支谱线9R(20)、10P(20)和同一个跃迁带范围相邻两支谱线10P(20)、10P(22)的输出特性。整个快速调谐激光谐振腔在动态快速触发情况下，分别以输出以上几支谱线为例，图2为系统运行过程中调谐触发控制电路的触发信号图，图2中CH1通道的脉冲信号表示运动控制卡输出的各支谱线的定位完成信号，CH2通道中的脉冲信号表示同步触发电路输出的各支谱线的调谐触发信号，图2中纵向时间轴每格表示10ms。图2(a)中激光谐振腔完成一次CO₂激光最远两支较强谱线9R(20)、10P(20)扫描需要60ms。当激光谐振腔对同一个跃迁带范围相邻两支谱线进行扫描，调谐时间可大大缩短，图2(b)为激光谐振腔完成一次对10P(20)、10P(22)两支谱线的扫描需要20ms。测量仪器测量的以上三支谱线聚焦后的激光输出光斑和对应的平均能量(E)如图3所示。

综上所述，本发明所提出的光栅选支快速调谐激光谐振腔，首次采用伺服电机驱动光栅高速旋转和精确定位，对光栅的精确转动位置实时探测并通过自动控制软件和硬件，协调控制光栅的位置和激光器的触发，实现了重复频率运转方式下激光谐振腔的快速调谐。

Claims (6)

1.一种光栅选支快速调谐激光谐振腔，包括腔体、输出镜、光栅、光栅转台、伺服电机、伺服电机驱动模块以及自动控制模块部分；其特征在于，所述输出镜和光栅共一光轴，光栅法线与光轴成Littrow角；伺服电机与光栅转台连接，为光栅转台的驱动机构，给光栅转台提供旋转动力，并与伺服电机驱动模块电连接；

自动控制模块包括计算机、运动控制卡和调谐触发控制电路，运动控制卡分别和调谐触发控制电路、伺服电机驱动模块电连接，其输出端与计算机交互通信，调谐触发控制电路又与激光器触发开关电连接；

其工作流程是：在伺服电机转动过程中，伺服电机驱动模块中的定位反馈元件对光栅的精确转动位置实时探测及反馈信息，运动控制卡接收定位反馈元件的信号后，与计算机交互通信，利用计算机的自动控制软件，控制伺服电机驱动模块驱动伺服电机带动光栅快速而精确的转动，通过控制光栅的转动角度达到对激光波长的选择，在光栅转到所需激光波长位置时，运动控制卡控制调谐触发控制电路同步触发激光器，使若干支激光波长有序输出，而完成整个谐振腔快速调谐。

2.如权利要求1所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其特征在于，所述伺服电机是交流伺服电机，或直流伺服电机，或直接驱动伺服电机，或带有连接机构的伺服电机。

3.如权利要求1所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其特征在于，所述光栅为反射式平面衍射光栅或反射式球面衍射光栅。

4.如权利要求1所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其特征在于，所述输出镜为部分反射部分透射球面或平面镜，其透过率为1％—99％。

5.如权利要求1所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其特征在于，所述伺服电机驱动模块中的定位反馈元件是编码器，或是圆光栅。

6.如权利要求1所述的光栅选支快速调谐激光谐振腔，其特征在于，所述自动控制模块是DSP系统，或是专业运动控制PLC系统。

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