用于激光諧振腔的co

激光加工、激光雷達(dá)和外差檢測(cè)等應(yīng)用和研究領(lǐng)域通常需要一門(mén)二維機(jī)器來(lái)輸出高光束質(zhì)量的基本模型[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。由于外部振動(dòng)、溫度變化和激勵(lì)電源穩(wěn)定性，輸出激光模式通常不穩(wěn)定，激光功率和頻率也會(huì)發(fā)生變化。人們已經(jīng)采用多種措施使激光器處于基模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),小孔光闌法是常用選模方法。M.Piche等人建立衍射積分方程詳細(xì)的分析了單一光闌插入腔內(nèi)后不同菲涅耳數(shù)對(duì)不同模式損耗的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析,為諧振腔設(shè)計(jì)提供理論參考。T.Li等人對(duì)不同孔徑的He-Ne激光器在腔內(nèi)插入透鏡及光闌選擇橫模。BoazLissak等人在CO2激光器的腔內(nèi)放置直徑2.75mm的孔型光闌,實(shí)驗(yàn)上獲得了光闌在腔內(nèi)不同位置時(shí)橫模的變化。在高功率高增益激光器中還可采用非穩(wěn)腔,增大幾何衍射損耗減小菲涅耳數(shù)使激光器單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。為獲得可調(diào)諧穩(wěn)定的基模CO2激光,本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊,小孔光闌選模的光柵選支射頻波導(dǎo)CO2激光器,激光器可長(zhǎng)時(shí)間工作在EH11模式,激光功率相對(duì)穩(wěn)定。小孔光闌選模方法多用于非波導(dǎo)激光諧振腔,目前還未見(jiàn)用于方波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器,本文提出的選模方式對(duì)方波導(dǎo)激光器的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。1矩形波導(dǎo)本征模的場(chǎng)內(nèi)容波導(dǎo)諧振腔和開(kāi)放式諧振腔不同,電磁波在波導(dǎo)管中不服從自由空間的傳播規(guī)律,KatherineD.LaakmannandWilliamH.Steier,HermannKrammer等人討論了紅外激光在截面尺寸為2a×2b的矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)牟▽?dǎo)模式,波導(dǎo)管內(nèi)部為真空,為波導(dǎo)材料的復(fù)折射率。求解麥克斯韋方程組并應(yīng)用矩形波導(dǎo)的相應(yīng)邊界條件,滿(mǎn)足近似條件:mλ4a?1?nλ4b?1mλ4a?1?nλ4b?1,得到矩形波導(dǎo)本征模的場(chǎng)分量表述如下:對(duì)于電場(chǎng)沿x方向振動(dòng)的混雜模ExH:Eixmn=√μ0ε0Ηiymn={sinmπx2acosmπx2a}{sinnπy2bcosnπx2a}ei(γmnz-ωt)對(duì)于電場(chǎng)沿y方向振動(dòng)的混雜模EyH:Eiymn=√μ0ε0Ηixmn={sinmπx2acosmπx2a}{sinnπy2bcosnπx2a}ei(γmnz-ωt)式中n,m同時(shí)為奇數(shù)或偶數(shù),傳播因子為:γnm=βnm+iαnm圖1表示了矩形波導(dǎo)中電場(chǎng)沿y方向振動(dòng)的幾個(gè)低階模式的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。場(chǎng)沿x方向的節(jié)線數(shù)為m-1,沿y方向的節(jié)線數(shù)為n-1。EH11模在整個(gè)橫截面內(nèi)沒(méi)有節(jié)線,其強(qiáng)度在波導(dǎo)軸線上達(dá)到最大,而且是線偏振的場(chǎng),EH11模是矩形波導(dǎo)中最重要的模,也是傳輸損耗最低的模式。由圖1可以看出,矩形波導(dǎo)CO2激光器可以輸出多種模式的激光,如果不采取選模措施,矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的CO2激光器輸出模式穩(wěn)定性較差,會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)EH11、EH21、EH31模式及混雜模式等各種模式。2電極保導(dǎo)與激光諧振腔的工作原理光柵選支的方波導(dǎo)射頻波導(dǎo)CO2激光器諧振腔結(jié)構(gòu)如圖2所示,激光器采用一類(lèi)波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu),諧振腔由輸出鏡、窗片及光柵組成,小孔光闌放置在窗片和光柵之間。電極及諧振腔立體結(jié)構(gòu)如圖3所示,電極采用金屬陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)拋光的上下電極壓緊兩片三氧化二鋁陶瓷片,波導(dǎo)截面尺寸為2.25mm×2.25mm,波導(dǎo)長(zhǎng)度為200mm,為保證射頻電壓在電極上的均勻分布,在上下電極之間并聯(lián)多個(gè)等值電感,調(diào)節(jié)匹配電路使之諧振與射頻源頻率80MHz,射頻功率由電極的中間注入。整個(gè)電極波導(dǎo)結(jié)構(gòu)放在水冷的鋁合金真空室內(nèi),減小激光器長(zhǎng)時(shí)間工作受到溫度升高帶來(lái)的影響。激光器一端采用透過(guò)率20%的鍺輸出鏡,輸出鏡由鏡片蓋固定于真空室,輸出鏡壓緊氟橡膠“O”型圈,起到密封真空室的作用并可調(diào)整輸出鏡的角度調(diào)整激光諧振腔。另一端采用兩面鍍?cè)鐾改さ腪nSe窗片由鏡片蓋固定并密封,其透過(guò)率為99.5%?？拷捌恢梅胖霉鈻懦?shù)為150lines/mm,一級(jí)反射率為85%的光柵,工作方式采用一級(jí)振蕩。光柵固定在壓電陶瓷上并且角度可調(diào),通過(guò)調(diào)整光柵的角度來(lái)選擇激光輸出譜線,通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷上的電壓來(lái)調(diào)節(jié)激光器的諧振腔的長(zhǎng)度從而可以調(diào)諧激光頻率。激光從波導(dǎo)口至反饋系統(tǒng)部分,電磁波遵從自由空間傳播規(guī)律,當(dāng)模序數(shù)增大時(shí),激光發(fā)散角變大。位于光柵及窗片之間的小孔光闌直徑為2.25mm,光闌距窗片2.5mm,距離光柵為10mm。3激光能量輸出激光器充入混合氣體比例為CO2:N2:He=1:1:4,充氣氣壓為8kPa,射頻源頻率為80MHz,功率0W至180W可調(diào),調(diào)節(jié)光柵的角度可以在P(16)至P(32)支輸出激光。3.1激光模式與理論結(jié)果的比較調(diào)節(jié)光柵角度,使激光輸出P(20)支譜線,用激光功率計(jì)測(cè)量輸出功率,在射頻源注入功率為180W時(shí),調(diào)節(jié)壓電陶瓷上的電壓,激光功率在1W至3W之間變化,同時(shí)激光橫模也在發(fā)生變化,用熱敏紙記錄激光光斑形狀,部分激光模式如圖4所示,對(duì)照?qǐng)D1的理論結(jié)果可以看出,激光輸出主要有EH11、EH21、EH31等多種單一模式以及多種混合模式。當(dāng)激光模式為EH11時(shí),激光功率最大為3W?？梢?jiàn)在未采取選模措施時(shí),激光器的功率和模式在不斷的發(fā)生變化。3.2加入光充激光功率變化曲線加入光闌之后,在充氣氣壓及放電條件都不變的情況下記錄激光模式,激光光斑形狀如圖5所示。激光模式由原來(lái)的多種變?yōu)閮煞N,多數(shù)情況輸出EH11模,偶爾會(huì)有EH21模情況出現(xiàn),激光器工作的穩(wěn)定性大大提高,可長(zhǎng)時(shí)間工作在EH11模輸出狀態(tài)。加入光闌前后激光功率變化曲線如圖6所示,圖中“o”曲線表示激光器腔內(nèi)未插入光闌時(shí)激光輸出功率隨時(shí)間變化的關(guān)系,“□”曲線表示激光器腔內(nèi)插入光闌后激光輸出功率隨時(shí)間變化的關(guān)系,可以看出,加入光闌之前激光功率變化幅度1至3W,加入光闌之后,激光功率變化幅度1.5至2W,變化幅度較小。相比未加光闌時(shí),雖然激光功率減小,最高功率由3W變?yōu)?W,但是激光器可長(zhǎng)時(shí)間工作在EH11模。4加光充放電本文提出采用小孔選模的光柵選支射頻方波導(dǎo)CO2激光器,在激光諧振腔內(nèi)插入一與波導(dǎo)尺寸相近的圓孔光闌以抑制高次橫模的產(chǎn)生。在注入射頻功率180W的情況下,加入光闌選模后獲得功