氧碘化學(xué)激光器諧振腔腔鏡失調(diào)測量與研究

1、第15卷第3期強激光與粒子束Vol.15,No.32003年3月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Mar.,2003文章編號:100124322(20030320221204氧碘化學(xué)激光器諧振腔腔鏡失調(diào)測量與研究劉巖,金玉奇,桑鳳亭,孫以珠,劉,張治國(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,遼寧大連116023摘要:為保證氧碘化學(xué)激光器諧振腔的腔鏡失調(diào)測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,建立了使用自準(zhǔn)直儀間接測量腔鏡失調(diào)的方法。測量結(jié)果表明,熱輻射是引起腔鏡失調(diào)并造成光束漂移的主要原因,通過采取措施,可以使腔鏡失調(diào)明顯減小。同時證明了該測量方法是可靠的、合理的。關(guān)鍵詞

2、:氧碘化學(xué)激光器;腔鏡偏移測量;光束漂移中圖分類號:TN248.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A光學(xué)諧振腔的失調(diào)是從事激光工作中經(jīng)常遇到的一個實際問題,尤其隨著氧碘化學(xué)激光輸出功率的增高,腔鏡的失調(diào)逐步增大,造成了激光光束的嚴(yán)重漂移16。如何準(zhǔn)確可靠地測量出腔鏡的偏移,分析影響腔鏡偏移的諸多因素并針對性地進(jìn)行解決79,為減小激光光束的漂移提供可靠且有效的依據(jù),越來越引起我們的重視,也是我們迫切需要解決的問題。由于氧碘化學(xué)激光器的實驗裝置的特殊性,外界環(huán)境條件的限制,諧振腔內(nèi)的高溫和較高的腐蝕性以及光學(xué)腔鏡的微動測量(m級、幾s內(nèi)的實時測量等條件的限制,使我們對腔鏡偏移的測量一度困難重重,而且有關(guān)此類的測量方法

3、在國內(nèi)外未見報道。根據(jù)現(xiàn)狀,如何選擇合適的測量設(shè)備,依據(jù)合理的測量原理,采用正確的測量手段和先進(jìn)的測量技術(shù),是測量工作的關(guān)鍵。本文通過對實際測量方法的分析研究,提出了提高測量結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性的途徑。在各種不同的實驗條件下,根據(jù)對諧振腔各腔鏡偏移的測量結(jié)果的分析,找到了引起激光光束漂移的主要原因,并采取了相應(yīng)措施,取得了較好的效果。這些表明,所用的測量方法可以獲得可靠的、準(zhǔn)確的、實時的、高精度的測量結(jié)果,為我們下一步實現(xiàn)氧碘化學(xué)激光器諧振腔腔鏡閉環(huán)控制提供有力的幫助和可靠的基礎(chǔ),對研究強激光領(lǐng)域在技術(shù)上具有較大意義。1測量原理和方法1.1實驗裝置氧碘化學(xué)激光器的諧振腔采用折疊虛共焦非穩(wěn)腔。從圖

4、1中可以看到:光腔盒A中放置凹凸鏡及刮刀鏡,光腔盒B中放置兩個45°全反射鏡。光腔盒A、B分別通過波紋管和增益池相連,與噴管后面的流場相通,基本處于同一靜壓下。兩個光腔盒之間用3根中空通冷卻水的不銹鋼桿支撐,盡可能保證整個光學(xué)系統(tǒng)在抽真空時的相對穩(wěn)定。在腔外用準(zhǔn)直儀測量各腔鏡的偏移,圖中給出了為測量45°全反射鏡的示意圖。 Fig.1Schematic of COIL resonator圖1氧碘化學(xué)激光器光腔示意圖收稿日期:2002207218;修訂日期:2002212215基金項目:國家863計劃項目資助課題作者簡介:劉巖(19702,女,碩士,主要從事激光諧振腔腔鏡閉環(huán)

5、控制研究;大連11027信箱;E2mail:ly-5011。1.2腔鏡失調(diào)測量原理自準(zhǔn)直儀采用的是美國Newport 公司的產(chǎn)品,型號為LDS 2Vector 。其主要特性:wavelength670nm digital resolution 0.1rad beam diameter31mm measurement range ±2mrad beam divergence0.1mrad measurement distortion ±2%sampling frequency 2kHz digital integration 0.5ms 1s腔鏡失調(diào)測量原理示意圖見圖2。準(zhǔn)直

6、儀自帶的激光二極管A 發(fā)出670nm 的激光,經(jīng)準(zhǔn)直鏡C 擴束成F31mm 的平行光,由腔鏡D 反射回準(zhǔn)直儀,聚焦于位置傳感器(Position Sensing Device ,簡稱PSD H 上的一點L 0,此點作為基準(zhǔn)點。當(dāng)D 偏轉(zhuǎn)時,D 反射回的光聚焦于H 上另一點L 1,則PSD 計算出兩者的差值,即=L 1-L 0,根據(jù)公式=f ×tan (2f 為C 的焦距,為腔鏡偏轉(zhuǎn)角。可以直接測出腔鏡偏轉(zhuǎn)角的大小。由此我們可以看出,為保證測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定和可靠,必須保證基準(zhǔn)光源穩(wěn)定可靠 。Fig.2Schematic of the measuring principle圖2腔鏡失調(diào)測量原

7、理示意圖測量數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)框圖見圖3:當(dāng)腔鏡偏轉(zhuǎn)時,準(zhǔn)直儀內(nèi)的PSD 把此位置信號按比例轉(zhuǎn)換成模擬信號(V y 和V z ,經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后,存入內(nèi)存,由32位微處理器處理,通過RS232接口進(jìn)入遠(yuǎn)程計算機,處理后即得到數(shù)據(jù)和圖形曲線 。Fig.3Schematic of data acquisition圖3數(shù)據(jù)采集框圖1.3腔鏡失調(diào)測量方法選擇保證傳感器可靠、靈敏是測量工作的前提。因為我們要從傳感器的輸出信號中得到腔鏡偏移的原始信息,如果傳感器不穩(wěn)定,那么對同樣的輸入信號,其輸出信號就不一樣,這時傳感器會給出誤差很大的輸出信號?？梢?如何正確安放傳感器是測量工作完成的關(guān)鍵。從實驗裝置中

8、可以看到,腔鏡放置在光腔盒內(nèi),在實驗過程中處于真空狀態(tài)。當(dāng)抽真空時光腔盒A 和B 的位置相對大地會發(fā)生扭曲現(xiàn)象,因此為保證測量的絕對坐標(biāo)(以大地為標(biāo)準(zhǔn),只能在腔盒外通過窗口進(jìn)行測量。振動對傳感器的影響也較嚴(yán)重,為了保證測量穩(wěn)定、靈敏,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠,必須解決振動問題,確保自準(zhǔn)儀絕對的穩(wěn)定可靠,使其自帶的點光源可以成為基準(zhǔn)點,可把它放在隔振平臺上,使振動盡量降到最低。測量示意圖見圖4,現(xiàn)場測量的環(huán)境溫度為室溫。222強激光與粒子束第15卷 Fig.4Schematic of measuring mirror angular displacement圖4腔鏡測量示意圖2結(jié)果與分析利用此測量方法,我

9、們進(jìn)行了大量的實驗工作,可以測得從大氣到真空時各腔鏡的偏移值。不過由于測量設(shè)備的不足,每次只能測量一個腔鏡的偏移。通過對出光過程中各腔鏡的測量數(shù)據(jù)的分析,表明各鏡的變化趨勢基本上相同,但兩塊45°腔鏡失調(diào)較大,且這兩塊腔鏡失調(diào)幾乎一樣。圖5給出了在不同條件下同一塊45°腔鏡失調(diào)曲線。曲線橫軸代表采集時間(單位s ,縱軸代表腔鏡的偏移量(單位rad 。02.5s 段曲線代表未出光過程,2.56.5s 段曲線代表出光過程,6.510s 段曲線代表出光結(jié)束過程 。Fig.5Curve of mirror angular displacement圖5腔鏡偏移曲線從曲線1的變化可以看

10、出:在未出光過程中,由于沒有熱源,不會造成鏡面和鏡架的熱變形,因此腔鏡幾乎不發(fā)生偏移;在出光過程中由于熱的逐漸積累,造成鏡面和鏡架的熱變形也逐漸增大,使腔鏡失調(diào)逐漸增大,此時最大偏移量為170.2rad ;出光結(jié)束后由于熱量逐步減小,使鏡面和鏡架的熱變形也逐漸減小,因此腔鏡失調(diào)逐漸減小?？梢?腔鏡的失調(diào)主要是由于熱輻射造成的。為此,對腔鏡采取如下措施:抽真空后,重新調(diào)腔,盡量減小抽真空后光軸的改變,提高各腔鏡的同心度;在兩個波紋管前后各加一道光欄,各鏡架外罩涂黑的鋁盒,鋁盒一面挖一個洞,洞的大小和鏡面大小吻合,用于減小熱輻射的影響。曲線2為采取措施后的腔鏡偏移曲線。從曲線的變化可以看出此時45

11、°全反鏡的最大偏移為63.1rad 。這說明采取適當(dāng)?shù)拇胧?減小熱輻射的影響,腔鏡失調(diào)的確明顯減小。也即是說,腔鏡失調(diào)主要是由激光對鏡架的熱輻射加劇其不均勻熱變形造成的。但是我們也看到腔鏡仍然有偏移,這表明腔鏡失調(diào)是多種因素的綜合。比如和鏡架的設(shè)計和安裝、腔鏡熱變形等因素密切相關(guān),這些問題有待于我們做進(jìn)一步的研究。3結(jié)論使用準(zhǔn)直儀間接測量腔鏡失調(diào)的方法是可行的。其測量精度很高,達(dá)到0.1rad ,數(shù)據(jù)也是可靠的、穩(wěn)定的。利用此方法,通過對腔鏡偏移的測量與分析,找到了影響激光光束漂移的主要因素,為下一步的閉環(huán)控制、振動問題的解決打下基礎(chǔ);同時提高大氣下和抽真空后諧振腔內(nèi)各腔鏡的同心度、

12、保證激光系統(tǒng)的光腔盒在抽真空后的穩(wěn)定性及減少熱輻射的影響,是降低高功率密度激光器光束漂移的必要條件。隨著我們對高功率密度激光器的深入研究,激光器的性能將得到進(jìn)一步改善,工作更加穩(wěn)定、可靠。致謝對中科院大連化學(xué)物理研究所701全組同志的幫助表示衷心的感謝。322第3期劉巖等:氧碘化學(xué)激光器諧振腔腔鏡失調(diào)測量與研究422強激光與粒子束第15卷參考文獻(xiàn):1Wade R C.Annular resonators for high2power chemical lasersA.SPIEC.1993,1868:334366.2Palmer J R.Continuous wave laser damage

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15、le gain.2:Fast Fourier transform methodJ.A ppliedOptics,1975,14(8:18741889.7金玉奇,孫以珠,桑鳳亭,等.化學(xué)氧碘激光器非穩(wěn)腔的研究J.強激光與粒子束,1997,9(2:227232.(Jin Y Q,Sun Y Z,Sang F T,etal.Properties of unstable resonator for a CW supersonic COIL.High Power L aser and Particle Beams,1997,9(2:2272328于德利,桑鳳亭,金玉奇,等.氧碘化學(xué)激光輸出光斑漂移和變形

16、研究J.強激光與粒子束,2001,13(2:151154.(Yu D L,Sang F T,Jin Y Q,et al.Study of the drift and deformation for COIL output beam spot.High Power L aser and Particle Beams,2001,13(2:151154 9于德利,桑鳳亭,金玉奇,等.高能量密度激光器腔鏡有限元分析J.強激光與粒子束,2001,13(2:129132.(Yu D L,Sang F T,Jin YQ,et al.Finite element analysis of the mirror

17、in high2energy density laser resonator.High Power L aser and Particle Beams,2001,13(2:129132Measure and research of mirrors disalignment for COIL resonatorL IU Y an,J IN Yu2qi,SAN G Feng2ting,SUN Y i2zhu,L IU Qin,ZHAN G Zhi2guo (Dalian Institute of Chemical Physics,the Chinese Academy of Sciences,P.O.Box11027,Dalian116023,ChinaAbstract:To insure reliable and accurate measurement results of mirror an gular displacement for COIL resonator,indirect mea2 surement was found using electronic autocollimator.Measurement results show that thermal radiation is main reason of mirror an gular displace