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可调谐TEA CO_2激光器技术

曲彦臣  任德明  赵卫疆  刘逢梅  胡孝勇  
【摘要】:近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值。TEA CO_2激光器工作在9~11 μm的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内。高重复率可调谐的 TEA CO_2激光器的研制已成为 CO_2激光差分吸收雷达的关键技术。差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式。早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的 CO_2激光器组合使用。随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台 CO_2激光发射器。这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化。利用符合 TEA CO_2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了 TEA CO_2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性。激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化。根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐 TEA CO_2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出。设计了小型化高重复率可调谐的 TEA CO_2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30~100 J,峰值功率0.3~1 W,谱线分布于9R、9P、10R、10P 四个谱区。单片机控制在单台 CO_2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10 ms。采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔 TEA CO_2激光器。详细分析了折叠腔 TEA CO_2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电。对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ。工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出。激光器脉冲重复频率可达到 100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条。强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ。经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限。实现了任意波长两条谱线在10 ms 时间内快速切换输出。

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