声光偏转快调谐脉冲CO2激光器实验研究

潘其坤，俞航航，陈 飞，谢冀江，何 洋，于德洋，张 阔

(1.解放军电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033；3.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

CO2激光器具有良好的波长可调谐性，在9～11 μm范围内拥有百余条谱线，对应了多种大气污染物的吸收峰，在激光差分吸收雷达、激光测距、激光监听等领域具有重要的应用前景[1-5]。激光差分吸收雷达的工作原理是向待测区域发射两束波长不同的激光，一束是与待测污染气体吸收峰重合的测量光束，另一束是与待测污染气体吸收峰偏离的参考光束。为了得到精确的测量结果，要求在大气“冻结”时间内发射两束不同波长的激光，因而，脉冲CO2激光快调谐技术备受关注[6]。

快速旋转波长调谐器件是脉冲CO2激光快调谐领域的常用技术。Dvaid等人报道了高重复频率多波长脉冲CO2激光雷达系统[7]，其中的快调谐激光器利用振镜和固定光栅法实现了CO2激光器的快调谐输出。Faxvog等人通过旋转多面体光栅并同时控制激光器的放电时间，使光栅旋转到相应输出谱线对应的入射角度，利用多面体光栅的每一刻面，选出单一波长激光输出[8]。哈工大曲彦臣团队采用6面转镜和固定光栅组成的同步触发控制系统实现波长快调谐[9-10]，转镜在持续转动时能使激光束以不同的角度入射到光栅上，从而可实现若干支波长激光单调有序的选出，波长调谐时间约为10 ms。北京电子所谭荣清团队采用直驱交流伺服电机驱动光栅高速旋转和精确定位技术实现激光波长快速调谐[11]，动态快速触发时，在60 ms内实现了整个CO2激光光谱任意两条谱线调谐输出，在20 ms内实现同一个跃迁带内相邻两条谱线的调谐输出。本团队也开展了脉冲CO2激光器波长调谐方面的研究，获得了60余条激光谱线输出[12-15]，在此基础上，进一步开展了基于声光偏转的快调谐脉冲CO2激光技术研究。

本文首先通过实验研究了声光调制器的工作特性，实验测试了声光偏转角和声光移频量，分析了声光移频对激光性能的影响，并提出了移频补偿方案。进而，基于腔内声光偏转，搭建了声光快调谐实验装置，实现了CO2激光双波长快调谐输出。

2 声光调制器特性

声光调制器的工作原理是利用超声波在介质中传播造成介质折射率产生相应的周期性变化，相当于形成一个布拉格光栅，当光波通过该介质时会产生衍射实现光束偏转。声光调制器的激光偏转角为2倍的声光衍射布拉格角，它可由布拉格方程给出：

(1)

式中，θB为布拉格角，λ为激光波长，fs为声波频率，vs为声光晶体内的声速。CO2激光声光调制器的声光驱动声波频率为40.68 MHz，它在Ge晶体内的声速为5.5 mm/μs，计算可得激光偏转角度为4.4°。

实验中对声光调制器在腔外的偏转特性进行测量，结果如图1所示。

图1 激光偏转测量装置Fig.1 Setup for laser deflection measurement

当声光调制器未加射频驱动信号时，声光调制器为普通Ge晶体，此时光路无偏转，如图1(a)所示，激光沿着0级衍射光方向传输。当声光调制器加40.68 MHz的射频驱动信号时，声光调制器等效为体布拉格光栅，此时光路偏转，激光沿着1级衍射光方向传输，如图1(b)所示，根据实际测量，衍射角为4.4°，与理论计算结果相符。当给40.68 MHz的射频驱动信号加上1 kHz、占空比为1∶1的调制信号时，激光将以1 kHz的频率在0级衍射光和1级衍射光间快速切换，如图1(c)所示，声光调制器1级衍射效率约为92%，因此1级衍射光弱于0级光，通过优化调制信号的占空比，可提升1级衍射光强度。

采用单频CO2激光器进行声光调制器移频特性测量，移频前后激光信号的快速傅立叶分析频谱如图2所示。图2(a)为单次经过声光调制器的傅立叶分析频谱，移频量为40.6 MHz(1倍的射频驱动信号)，其与声光调制器所加射频驱动信号频率一致。而激光往返两次经声光调制器后，测得的傅立叶分析频谱如图2(b)所示，此时的移频量为81.2 MHz(2倍的射频驱动信号)。腔内插入声光调制器时，激光在腔内往返振荡的过程中移频量将依次叠加。通常，直流放电CO2激光器充气压较低(kPa量级)，其增益线宽约为100 MHz[16]，即激光谐振数次，频率便移出增益线宽范围，无法形成有效的激光振荡，因此，必须考虑激光声光移频补偿的问题。

图2 快速傅立叶分析频谱图Fig.2 FFT analytical spectra

3 CO2激光器波长调谐实验研究

3.1 实验装置

采用的实验装置如图3所示，其中后反射镜、声光调制器2、声光调制器1、光阑、激光增益管、输出镜组成偏转光路；光栅、声光调制器2、光阑、激光增益管、输出镜组成直线光路。声光调制器1不加射频驱动信号时，直线光路工作，此时，通过100线/mm的光栅选支可实现直线光路CO2激光可调谐输出。声光调制器1加射频驱动信号时，光路中设置声光调制器2，二者间距500 mm，激光横向偏移量约为38.4 mm，以保证器件间对光路无遮挡。偏转光路中的两个声光调制器射频驱动频率一致，超声波发生器设置在光轴两侧，在单次振荡过程中实时补偿声光移频，此时全反射镜与输出镜组成谐振腔实现增益最强的10P(20)支激光输出。在TEA 或射频激励的高增益激光器中，偏转光路的全反射镜也可更换为光栅，实现两路激光的任意支谱线可调谐同光路输出。

图3 快调谐脉冲CO2激光器实验装置Fig.3 Experimental device of rapidly tunable pulsed CO2laser

两路激光共用一个激光增益区，为实现调Q脉冲输出，必须在时间上有一个上能级粒子数积累过程，因此，需对声光调制器1、2的驱动时序进行精确控制，实验采用的声光调制器驱动时序如图4所示。

图4 声光调制器时序控制示意图Fig.4 Schematic of sequential control of the acousto-optic modulator

声光调制器时序逻辑设定为：高电平光路偏转(1级衍射光方向)，低电平光路不偏转(0级衍射光方向)。快调谐激光器在单个时序控制周期内工作过程为：(a)τ1时刻，声光调制器1偏转，声光调制器2不偏转，无激光输出，增益区积累上能级粒子数直至τ2时刻；(b)τ2时刻，声光调制器1、2均偏转，增益区积累的上能级粒子数瞬间在偏转光路中以巨脉冲的形式输出；(c)τ3时刻，声光调制器1偏转，声光调制器2不偏转，无激光输出，增益区积累上能级粒子数直至τ4时刻；(d)τ4时刻，声光调制器1、2均不偏转，增益区积累的上能级粒子数瞬间在直线光路中以巨脉冲的形式输出。从而，可以实现在一个时序控制周期内，实现激光快调谐输出。实验过程中，通过调整声光调制器1、2的占空比和延迟时间，可适当改变上能级粒子数的积累时间，优化双光路激光的激光功率。

3.2 实验结果与分析

实验中，激光器放电电流可调节范围8～16 mA，连续输出功率最高为22 W，插入声光调制器1后，连续输出功率下降到9.5 W。在TTL触发信号控制下，声光调制器1、2协调工作，实现脉冲CO2激光双波长快调谐输出。实验中，重复频率为500 Hz时输出性能最佳(双波长、双脉冲输出，等效频率为1 kHz)，这与CO2激光1 ms的上能级寿命相符。此时偏转光路中波长为10.59 μm的10P(20)分支激光功率最高为0.86 W，直线光路中激光波长可调谐，10P(20)分支谱线激光功率最高，平均功率为1.24 W。采用CO2激光谱线分析仪对快调谐激光波长进行测试，结果如图5所示。结果显示，两路激光可以同光路输出，且波长调谐范围涵盖CO2激光9.3～10.6 μm全波段。

图5 CO2激光双谱线Fig.5 Double lines of CO2laser

采用HgCdTe光电探测器对两路激光切换时间进行测试，结果如图6所示。

如图6所示，声光调制器运行在500 Hz，HgCdTe探测器测得A、B两组脉冲激光信号，A组电压幅值约为1.7 mV， B组电压幅值约为0.65 mV，且两个脉冲信号交替出现，激光器交替稳定输出两个波长的激光，双波长激光切换时间约为1 ms。声光调制器声频扰动影响了脉冲幅值稳定性。偏转光路与直线光路的激光脉宽如图7所示，分别为220 ns和280 ns，偏转光路等效为双调Q，因而具有更窄的激光脉宽。

图6 双波长激光器快调谐波形Fig.6 Rapidly tunable waveform of double wavelength laser

图7 激光脉冲宽度Fig.7 Laser pulse width

4 结 论

采用外腔法研究了声光调制器的工作特性，实验测试的声光调制器偏转角度为4.4°，与声光布拉格衍射角的理论计算结果相符，可满足偏转光路与直线光路在空间位置上有效分离的应用需求。采用稳频CO2激光器对声光调制器的移频量进行实验测试，发现往返两次经声光调制器时移频量累次叠加，因此，在窄增益带宽激光偏转光路中须考虑移频补偿问题。进而开展基于声光调制器的快调谐CO2激光器实验研究，在偏转光路中沿光轴对称设置两个射频驱动频率一致的声光调制器实现声光移频补偿。最终，在声光调制器时序控制下，通过光栅选支，实现CO2激光全波段快速调谐输出，可将CO2激光及波长切换时间缩短至毫秒量级。选定激光波长的切换时间在毫秒量级，脉宽为200～300 ns，且双波长切换速度不受CO2激光跃迁谱带的限制。