潘其坤 ，苗昉晨，司紅利，沈 輝，高 飛，于德洋，張 闊，張冉冉，趙崇霄，陳 飛，郭 勁

（1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130033；2. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510000；3. 火箭軍裝備部駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室, 黑龍江 哈爾濱 150028；4. 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西 太原，030006）

1 引 言

脈沖CO2激光器具有輸出功率高、光譜純度好、脈寬易調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，在超精密光學(xué)材料加工、激光刻蝕、強(qiáng)場(chǎng)激光物理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-6]。同時(shí)CO2激光器在9～11 μm 范圍內(nèi)擁有極為豐富的譜線輸出，覆蓋了多種氣體的吸收峰，可調(diào)諧脈沖CO2激光器在激光差分吸收雷達(dá)領(lǐng)域備受關(guān)注[7-11]。

應(yīng)用于激光差分吸收雷達(dá)的激光器要求同軸輸出兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光，一個(gè)波長(zhǎng)的激光與待測(cè)氣體吸收峰一致，另一個(gè)波長(zhǎng)的激光偏離待測(cè)氣體吸收區(qū)，通過差分處理雙波長(zhǎng)激光的回波信號(hào)，獲得待測(cè)氣體的濃度信息。Ruan 等報(bào)道了一種基于雙聲光調(diào)制器的快調(diào)諧脈沖CO2激光器，獲得了調(diào)諧時(shí)間小于1 ms 的雙波長(zhǎng)CO2激光輸出[8]。Tehrani 等基于兩臺(tái)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為9.2～10.8 μm 的可調(diào)諧脈沖TEA CO2激光器，搭建了車載探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑的激光雷達(dá)系統(tǒng)，體積為7 m×2.5 m×3 m，探測(cè)距離達(dá)到了1 km[9]。Avishekh 等基于平均功率為1 W 的連續(xù)CO2激光器，實(shí)現(xiàn)了9.7～11.2 μm 的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，搭建了探測(cè)三過氧化三丙酮?dú)怏w的激光雷達(dá)裝置，工作距離為0.1 km[10]。Karapuzikov 等基于可調(diào)諧TEA CO2激光器，搭建了直升機(jī)搭載的激光差分吸收雷達(dá)探測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)體積為500 mm×600 mm×700 mm，功耗為1 kW，實(shí)現(xiàn)了1 km 的探測(cè)距離[11]。

運(yùn)用CO2激光差分吸收雷達(dá)探測(cè)有毒害氣體時(shí)，稍有不慎就會(huì)對(duì)操作人員造成傷害[12]。無人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)避免了人員接觸，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的探測(cè)作業(yè)[13-14]，無人機(jī)載CO2激光差分吸收雷達(dá)是遠(yuǎn)程探測(cè)有毒害氣體的最佳方法之一。目前已報(bào)道的CO2激光差分吸收雷達(dá)系統(tǒng)受CO2激光器體積大、功耗高、峰值功率低等條件限制，難以滿足無人機(jī)載應(yīng)用需求。緊湊型、低功耗、自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器在新應(yīng)用需求牽引下將成為研究熱點(diǎn)。

本文基于低功耗機(jī)械調(diào)Q技術(shù)和小型化高精度轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)光柵調(diào)諧技術(shù)，研制了一臺(tái)小型輕量化的自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了射頻波導(dǎo)腔和自由空間光學(xué)斬波器的光束匹配，有效提升了CO2激光器的輸出性能。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

面向應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器在考慮系統(tǒng)體積、重量和功耗的同時(shí)兼顧激光器脈沖輸出特性。實(shí)驗(yàn)裝置原理示意如圖1 所示，其由波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧、波導(dǎo)增益、脈沖調(diào)制3 個(gè)模塊組成。金屬原刻光柵為波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧核心元件，光柵常數(shù)為10 μm，光柵閃耀角為31.97°，閃耀波長(zhǎng)為10.59 μm。光柵工作在一級(jí)振蕩，零級(jí)輸出的工作模式，1 級(jí)衍射效率為70%。在旋轉(zhuǎn)光柵調(diào)諧激光波長(zhǎng)過程中，光柵零級(jí)輸出角度隨之改變，為此，采用了角反射器原理，即金屬閃耀光柵與反射鏡1 構(gòu)成角反射器隨電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)，確保在激光器波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧過程中輸出激光角度恒定。

圖1 可調(diào)諧脈沖CO2 激光器原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of a tunable pulsed CO2 laser

相比于直流激勵(lì)CO2激光管，射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光管工作氣壓高、增益大、可風(fēng)冷散熱，電光效率高，為激光器系統(tǒng)小型化提供了條件。本文采用了平均功率為30 W 的射頻波導(dǎo)CO2激光管，射頻調(diào)制頻率為100 kHz。為了適應(yīng)全外腔應(yīng)用，對(duì)其兩端的諧振腔鏡進(jìn)行改造，靠近光柵端的輸出鏡更換為高透的ZnSe 平面窗口鏡，靠近光學(xué)斬波器的后反射鏡更換為高透的ZnSe 凸透鏡。

脈沖調(diào)制模塊用于對(duì)激光器Q值進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)激光器高峰值功率、短脈沖寬度輸出。聲光調(diào)制[15]和電光調(diào)制[16]具有良好的脈沖調(diào)制效果，但其功耗高、驅(qū)動(dòng)電壓高、散熱困難，不利于系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用了低功耗的光學(xué)斬波器作為脈沖調(diào)制器件。由于光學(xué)斬波器的斬波扇轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，因此，如何優(yōu)化光束直徑，提升斬波扇在腔內(nèi)光束上的渡越時(shí)間至關(guān)重要。本文用于密封射頻波導(dǎo)激光器的凸透鏡和后反射鏡組成光束變換系統(tǒng)，凸透鏡的焦距與后反射鏡球心重合，斬波扇位于凸透鏡焦平面上，既提升了自由空間光束與射頻波導(dǎo)腔的匹配度，保障了光束的自再現(xiàn)傳輸，又壓縮了斬波扇在光束上的渡越時(shí)間，改善了激光器脈沖調(diào)制特性。由后反射鏡、凸透鏡、光柵組成穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔系統(tǒng)，有效提升了復(fù)雜環(huán)境下激光器系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先研究了射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光器的機(jī)械調(diào)Q性能，此時(shí)采用了透射率為30%的ZnSe 平面鏡代替金屬閃耀光柵作為激光器輸出鏡，其透射率與金屬閃耀光柵的零級(jí)衍射效率接近。光學(xué)斬波器的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為100 r/s，斬波扇面上的開孔數(shù)量為10，此時(shí)光學(xué)斬波器的最大調(diào)制頻率為1 kHz。斬波扇面上的通光直徑對(duì)激光器調(diào)Q性能影響顯著。為了研究斬波扇上通光直徑與腔內(nèi)光束直徑的匹配關(guān)系，加工了通光孔徑分別為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm 的斬波扇葉，實(shí)驗(yàn)研究了它們的脈沖調(diào)制特性。不同通光孔徑下的激光輸出平均功率如圖2 所示，射頻調(diào)制頻率設(shè)定為20 kHz，斬波器工作頻率為1 kHz。

圖2 脈沖CO2 激光平均功率隨射頻激勵(lì)占空比變化關(guān)系Fig. 2 Relationship between the average power of a pulsed CO2 laser and the RF excitation duty cycle

如圖2 所示，在相同斬波扇孔徑條件下，隨著射頻調(diào)制占空比的增加，激光平均功率先呈線性增加，即注入射頻功率越高，激光輸出平均功率越高。但當(dāng)射頻占空比大于60%以后，激光器平均功率開始略微下降，這是由于激光上能級(jí)壽命與斬波器工作頻率不匹配造成的。由于光學(xué)斬波器的重復(fù)頻率偏低，更多的注入功率也無法積累更多的激光增益，這決定了1 kHz 條件下激光平均功率不會(huì)隨著占空比的增加無限增加。同時(shí)，隨著占空比的提升，風(fēng)冷的射頻放電管的熱效應(yīng)逐漸顯著，也將導(dǎo)致激光器的平均輸出功率下降。在相同的射頻占空比和激光重復(fù)頻率條件下，隨著通光孔徑的增加，激光平均功率顯著增加，導(dǎo)致這一情況最直接的原因是隨著通光孔徑的增大，插入損耗逐漸降低。斬波扇的通光孔徑還將顯著影響激光脈沖波形，采用HgCdTe 光電探測(cè)器測(cè)試不同通光孔徑下的激光脈沖波形，如圖3 所示。

由圖3 可知，由于斬波扇轉(zhuǎn)速相同，獲得的激光脈沖具有相似的陡峭的前沿波形。在通光孔徑分別為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm 時(shí)，測(cè)試的激光脈沖全波半高寬分別為330 ns，350 ns，380 ns。隨著斬波扇通光孔徑的增大，激光脈沖后沿拖尾越發(fā)的嚴(yán)重，在通光孔徑為1.2 mm 時(shí)，激光脈沖不僅拖尾嚴(yán)重、還出現(xiàn)了二次峰，這是CO2激光器調(diào)Q器件響應(yīng)慢的典型特征。綜合分析機(jī)械調(diào)QCO2激光器輸出平均功率和脈沖波形可知，當(dāng)斬波扇的通光孔徑為0.8 mm 時(shí)與腔內(nèi)光束匹配較好，CO2激光器的脈沖峰值功率達(dá)到6.6 kW。在通光孔徑為0.8 mm、重復(fù)頻率為1 kHz 時(shí)的多重頻脈沖波形如圖3(d)所示。由圖3(d)可知機(jī)械斬波扇在高速旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械振動(dòng)是引發(fā)脈沖幅值抖動(dòng)的主要因素。

圖3 采用不同通光孔徑斬波扇機(jī)械調(diào)Q 獲得的CO2 激光脈沖波形：（a）0.4 mm，（b）0.8 mm，(c) 1.2 mm。（d）0.8 mm 孔徑1 kHz 脈沖串波形Fig. 3 CO2 pulse waveforms obtained by mechanical Qswitching of chopper fans with different optical apertures. (a) 0.4 mm, (b) 0.8 mm, (c) 1.2 mm.(d) Pulse train at 1 kHz with slits width of 0.8 mm

在機(jī)械調(diào)Q脈沖CO2激光器研究基礎(chǔ)上，基于通光孔徑為0.8 mm 的斬波扇葉進(jìn)行腔內(nèi)激光脈沖調(diào)制，對(duì)CO2激光器波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧性能進(jìn)行了研究。依據(jù)光柵方程[17]，計(jì)算可得CO2激光器相鄰工作波長(zhǎng)的入射角相差約0.07°。據(jù)此，選擇了小型輕量化、高精度的電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)作為驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)器件，如圖4 所示。電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)分辨率為0.001°，閉環(huán)重復(fù)定位精度為±0.002°，尺寸為50 mm×50 mm×15 mm，電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)開機(jī)具有自動(dòng)尋找物理零點(diǎn)的功能。

圖4 小型、輕量化高精度電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)Fig. 4 Small lightweight high precision electric turntable

采用CO2激光譜線分析儀測(cè)試了機(jī)械調(diào)Q脈沖CO2激光器的輸出譜線，結(jié)果如圖5 所示。在9.2～10.7 μm 范圍內(nèi)共測(cè)試到30 條激光譜線，其中，10P 支激光譜線為10 條，最高平均功率為1.3 W@10.59 μm，峰值功率為3.7 kW。值得關(guān)注的是，從10P 支譜線到9R 支譜線，激光平均功率呈近似線性下降，明顯與CO2激光增益譜分布不匹配，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有：（1）金屬閃耀光柵、射頻波導(dǎo)管密封窗設(shè)計(jì)的最佳工作波長(zhǎng)為10.59 μm，諧振腔光學(xué)元件在其他波段的插入損耗較大；（2）激光器在波長(zhǎng)10.59 μm 處進(jìn)行裝調(diào)，轉(zhuǎn)臺(tái)的重復(fù)定位偏差將引入方位方向諧振腔失調(diào)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)平行度偏差將引入俯仰方向諧振腔失調(diào)，且諧振腔失調(diào)量將隨電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度增大而逐漸累積。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)閃耀光柵和射頻波導(dǎo)管密封窗口工作波長(zhǎng)，并引入俯仰、方位角度閉環(huán)校正裝置補(bǔ)償轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的諧振腔失調(diào)，有望獲得更多的CO2激光輸出譜線，并提升9P、9R 支激光譜線輸出功率。

圖5 機(jī)械調(diào)Q 脈沖CO2 激光器輸出譜線Fig. 5 Output spectrum of mechanical Q-switched pulsed CO2 lasers

面向無人機(jī)載激光差分雷達(dá)應(yīng)用需求，在波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧、射頻波導(dǎo)管和脈沖調(diào)制3 個(gè)模塊方案設(shè)計(jì)和器件選型時(shí)兼顧小型輕量化需求，提升了自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器的小型化系統(tǒng)集成潛力。激光器一體化底板采用鏤空的高硬度鋁合金材料，加強(qiáng)底板強(qiáng)度有利于提升激光器在復(fù)雜環(huán)境條件下的工作穩(wěn)定性。激光器內(nèi)光學(xué)元件均采用了輕質(zhì)鋁合金材料的一體化鏡架，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件的穩(wěn)定、可靠支撐。緊湊型自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器實(shí)物如圖6 所示，重量為18 kg，耗電功率≤200 W。

圖6 緊湊型波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2 激光器實(shí)物圖Fig. 6 Photo of compact pulsed CO2 laser with wavelength automatic tuning

4 結(jié) 論

本文面向機(jī)載激光差分吸收雷達(dá)對(duì)可調(diào)諧脈沖CO2激光器的應(yīng)用需求，研制了機(jī)械調(diào)Q、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧的脈沖CO2激光器，介紹了可自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理。其次，研究了不同通光孔徑斬波扇對(duì)激光脈沖波形的影響，獲得了脈沖波形良好的短脈沖激光輸出。然后，研究了激光器自動(dòng)波長(zhǎng)調(diào)諧特性，分析了9P、9R 支激光譜線功率偏低的原因和后續(xù)提升9P、9R 支激光譜線功率的方法。最后，進(jìn)行了緊湊型波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧脈沖CO2激光器系統(tǒng)集成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：激光器脈沖寬度為350 ns，峰值功率為3.7 kW，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為9.2～10.7 μm，重量為18 kg，電功耗為200 W，基本滿足機(jī)載激光差分吸收雷達(dá)的應(yīng)用要求。