采用电压调控稳定输出脉冲激光能量的方法及装置与流程

1.本发明涉及放电激励气体激光技术领域，尤其涉及一种采用电压调控稳定输出脉冲激光能量的方法及装置。


背景技术：

2.随着应用需求的不断拓展，中红外激光已成为近年来激光技术领域研究热点。特别是3μm波段的中红外激光，因其处于大气吸收的剧烈变化区，通过波长的精细调控，可用于遥感和环境监测等领域；同时由于水分子和有机物在此波段有强烈的吸收性，因此在生物成像、牙科和心血管手术等生物医学方面也有广泛的应用前景。此外，该类激光还可作为波长转换的驱动光源，实现中红外超连续谱和红外多波段激光输出，在光谱学和国防科研等领域都有广泛的应用。
3.目前获得中红外激光的手段很多，其中一种技术手段是基于放电引发的脉冲氟化氢激光技术，但是受材料和能量转换效率的限制，氟化氢激光工作过程中不可逆的化学反应使工作介质不断减少，以及激光跃迁后生成的基态hf分子对产生激光的激发态hf具有很强的弛豫作用，导致后续激光脉冲能量显著降低，无法长时间稳定地输出激光。
4.因此，亟需研究一种基于放电引发的脉冲氟化氢激光输出方法，能够长时间稳定地输出脉冲激光。


技术实现要素：

5.本发明的技术目的就在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种电压调控稳定输出放电引发脉冲激光能量的方法及装置，能够长时间稳定地输出脉冲激光。
6.作为本发明的第一个方面，本发明提供一种电压调控稳定输出放电引发的脉冲激光能量的方法，包括如下步骤：
7.步骤s1：确定激光器输出的能量预定值，根据激光器输出的能量预定值将激光器的工作电压设置为初始电压，开启放电引发的脉冲激光器，所述脉冲激光器为由放电引发的脉冲激光器；
8.步骤s2：确定是否进行电压调控：持续获取输出的激光的当前能量值；判断激光的当前能量值与预定值的差距是否在第一预定范围内，如在第一预定范围内则不进行电压调控；如不在第一预定范围内则进行步骤s3的电压调控；
9.步骤s3：进行电压调控：根据当前能量值调节工作电压，直到激光的当前能量值与能量预定值的差距在第二预定范围内，返回步骤s2；
10.所述第二预定范围小于第一预定范围。
11.根据本发明一示例实施方式，所述放电引发的脉冲激光器为氟化氢激光器。
12.根据本发明一示例实施方式，所述放电引发的脉冲激光器中产生脉冲的频率小于或等于100hz。
13.优选地，所述脉冲激光器中产生脉冲的频率为40-60hz。
14.根据本发明一示例实施方式，所述初始电压根据激光的能量预定值获得，采用如下公式1：
15.u0＝(e0-b)/a
ꢀꢀ
公式1；
16.其中，u0为初始电压，单位为kv；
17.e0为激光器输出的能量预定值，单位为mj；
18.a和b均为常数。
19.根据本发明一示例实施方式，步骤s2和步骤s3中，所述获取输出的激光的当前能量值的方法包括：采集连续多个脉冲激光的输出能量，并将多个脉冲引发的激光输出能量的平均值作为激光的当前能量值。
20.根据本发明一示例实施方式，步骤s2中，所述判断激光的当前能量值与能量预定值的差距是否在第一预定范围内的方法包括：
21.如果|ei-e0|/e0＜0.1，则激光的当前能量值与能量预定值的差距在第一预定范围内；
22.否则激光的当前能量值与能量预定值的差距不在第一预定范围内；
23.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
24.e0为能量预定值，单位为mj。
25.根据本发明一示例实施方式，步骤s3中，所述根据当前能量值调节电压调控的方法包括：
26.如果ei-e0≥0，则降低工作电压预定调控值；
27.如果ei-e0＜0，则提升工作电压预定调控值；
28.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
29.e0为能量预定值，单位为mj。
30.预定调控值为0.05-0.15kv。
31.根据本发明一示例实施方式，每次降低工作电压的电压值相等，每次提升工作电压的电压值相等。
32.根据本发明一示例实施方式，所述激光的当前能量值与能量预定值的差距在第二预定范围内的判断方法包：
33.如果|ei-e0|/e0≥0.05，则激光的当前能量值与能量预定值的差距不在第二预定范围内；
34.如果|ei-e0|/e0＜0.05，则激光的当前能量值与能量预定值的差距在第二预定范围内；
35.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
36.e0为能量预定值，单位为mj。
37.作为本发明的第二个方面，本发明提供一种采用所述电压调控稳定输出脉冲激光能量的方法输出脉冲激光能量的装置，包括：
38.激光器，包括高压电极、hv脉冲产生器，所述高压电极产生通过放电引发的脉冲激光；hv脉冲产生器与高压电极连接，用于产生电压脉冲；
39.能量检测模块，用于获取输出的激光的当前能量值，并检测当前能量值和能量预定值的差距；
40.电压调控模块，与所述脉冲产生器和能量检测模块连接，用于根据能量值和能量预定值的差距调节高压电极的电压。
41.本发明的有益效果是：
42.本发明提供的方法和装置，能够根据脉冲激光的输出能量调节放电的电压，使脉冲激光能够长时间稳定地输出。
附图说明
43.图1给出了电压调控稳定输出放电引发的脉冲激光能量的装置的结构图。
44.图2给出了电压调控稳定输出放电引发脉冲激光能量的步骤。
45.图3给出了电压调控和无电压调控的激光能量曲线图。
具体实施方式
46.以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
47.根据本发明的第一个实施方式，提供了一种采用电压调控稳定输出的脉冲激光能量的装置，如图1所示，包括：
48.氟化氢激光器，包括高压电极、hv脉冲产生器。所述高压电极产生通过放电引发的脉冲氟化氢激光。hv脉冲产生器与高压电极连接，用于产生电压脉冲。hv指的是高电压。高压电极产生的辉光放电将气体介质激励到高能态；输出耦合器和反馈耦合器组合成光学谐振腔，将高能态气体介质受激跃迁会低能态时产生的光子震荡放大形成激光输出。
49.能量检测模块，用于获取输出的激光的当前能量值，并检测当前能量值和能量预定值的差距。
50.电压调控模块，与脉冲产生器和能量检测模块连接，用于根据能量值和能量预定值的差距调节高压电极的电压。
51.采用第一个实施方式的装置进行长时间稳定输出脉冲激光，本方案产生脉冲激光的原理如下：
52.激光器开启期间，放电区发生的动力学过程如下：
53.sf6 e
→
sf5 f e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3；
54.f c2h6→
hf(v) c2h5 q(v＝1,2,3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4；
55.hf(v)
→
hf(v-1) hv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式5；
56.hf(v) m
→
hf(v-1) m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式6。
57.公式3表示实现脉冲hf激光输出的放电引发过程。放电引发过程提供了化学反应所需的f原子，也直接决定了辐射跃迁过程的光子数产额，因此f原子的有效产出是实现激光输出的前提。放电引发过程是通过在混合气工作介质间施加脉冲高压电场实现气体快速击穿获得大量自由电子，这些电子在电场加速下与气体分子不断碰撞传递能量，通过复杂相互作用从sf6气体分子中获得游离态f原子。
58.公式4表示化学反应放热激励过程。q为反应放能，v为振动和/或转动激发能级。
59.公式5表示辐射跃迁过程。当较高能级hf(v)转为较低能级hf(v-1)时，振动和/或转动激发能级间跃迁形成激光辐射hv。
60.公式6表示无辐射驰豫过程。弛豫作用是指从非平衡态逐渐恢复到平衡态的过程。从非平衡态逐渐恢复到平衡态的时间为弛豫时间。在射频脉冲停止以后,核子释放所吸收的能量返回到热平衡状态，该过程称为弛豫过程。m是sf6和c2h6的混合气体中起驰豫作用的组分，每种气体分子对激发态hf都会起一定的驰豫作用，其中基态hf的驰豫作用最强。激发态hf即为被能量激发到高能态的hf分子，基态hf即为能量最低的hf分子。产生驰豫作用会降低产生激光的效率，驰豫作用就要基态与激发态的分子间发生碰撞，激发态的分子在碰撞过程中与基态分子进行能量交换使其能量逐渐回到基态，不再通过辐射跃迁回到基态，形成辐射输出激发态分子少了，输出激光的效率就低了。因此，并不是sf6和c2h6的量越多越好，sf6和c2h6保持在预定的浓度范围内能够防止驰豫作用的扩大。同时，激光器的电压作为反应的必要条件，其大小也对反应所产生的激光能量有非常大的影响，因此，通过调节激光器的电压，能够保证脉冲激光能长时间、稳定输出。
61.如图2所示，采用第一个实施方式的装置进行长时间稳定输出脉冲激光的方法如下：
62.步骤s1：确定激光器输出的能量预定值e0，根据激光器能量与电压的关系，确定激光器的初始电压。
63.在放电引发脉冲氟化氢激光器中，工作电压是影响激光能量的重要参数，为保障激光器不受电弧放电的影响并且使激光器的工作在高效状态，激光器的工作电压要低于临界电压(也就是产生电弧的电压值)。在低于临界电压并能激发氟化氢产生激光的范围内，激光器输出能量与工作电压近似呈线性关系。
64.因此，激光能量与工作电压的线性函数，如公式2：
65.e＝au b
ꢀꢀ
公式2；
66.其中，e为激光能量，单位为mj；u为工作电压，单位为kv；a和b均为常数。
67.首先确认激光器中的a和b的值，方法为：在激光器的工作电压范围内，等间隔地设置工作电压，以此测定激光器的输出能量，计算出激光器的a和b的值。经过测定和计算，对于上述氟化氢激光器，a＝233.4，b＝4182.4。
68.将公式转换成公式1，并根据激光器输出的能量预定值e0，确定激光器的初始电压u0。
69.u0＝(e0-b)/a
ꢀꢀ
公式1；
70.其中，u0为初始电压，单位为kv；
71.e0为激光器输出的能量预定值，单位为mj；
72.a和b为常数。
73.对于本方案测定和计算的氟化氢激光器，a＝233.4，b＝4182.4。
74.将激光器的工作电压设置为初始电压，放电频率为f(f≤100hz)，优选40-60hz(即为每秒产生40-60个脉冲激光)，开启放电引发的脉冲激光器。
75.步骤s2：确定是否进行电压调控：
76.持续获取输出的激光的当前能量值：采集连续多个脉冲激光的输出能量，优选5个脉冲激光，并将多个脉冲引发的激光输出能量的平均值作为激光的当前能量值。
77.如果|ei-e0|/e0＜0.1，则激光的当前能量值与能量预定值的差距在第一预定范围内，则不进行电压调控，继续持续检测激光的当前能量值。
78.如果|ei-e0|/e0≥0.1，则激光的当前能量值与能量预定值的差距不在第一预定范围内，则进行步骤s3的电压调控。
79.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
80.e0为能量预定值，单位为mj。
81.步骤s3：进行电压调控：
82.持续获取输出的激光的当前能量值，采集连续多个脉冲激光的输出能量，并将多个脉冲引发的激光输出能量的平均值作为激光的当前能量值。
83.如果ei-e0≥0，则降低工作电压预定调控值；
84.如果ei-e0＜0，则提升工作电压预定调控值；
85.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
86.e0为能量预定值，单位为mj。
87.预定调控值为0.05-0.15kv，优选0.1kv。
88.再获取输出的激光的当前能量值，判断是否需要再次调控电压：
89.如果|ei-e0|/e0＜0.05，则完成电压调控，返回步骤s2；
90.如果|ei-e0|/e0≥0.05，则再次进行步骤s3的电压调控；
91.其中，ei为激光的当前能量值，单位为mj；
92.e0为能量预定值，单位为mj。
93.每次降低工作电压的电压值相等，每次提升工作电压的电压值(即预定调控值)相等。
94.本方案中，需要分步骤计算差值进行电压调控，原因是受调控电源的精度和激光器放电特性等影响，调控需要缓慢进行，另外调控是一个过程，需要看平均结果。
95.在进行激光输出的初期，由于c2h6数量比较多，与放电产生的f原子接触的概率大，化学反应生产的激发态hf(ν)分子较多，产生的激光能量就比较大；到了重频运行的中后期，随着c2h6数量的减少以及其他影响反应的介质增多，必须提升电压，形成更多的f原子，以保持化学反应生产足够多的激发态hf(ν)分子，维持激光能量基本稳定。因此，电压调控的方法，就是调节放电产生f原子的数量，增大化学反应生产激发态hf(ν)分子的概率，以此提升激光器输出能量的稳定性。通过本方案的方法，在激光输出的20秒以内，能够保证激光输出的能量值降低不超过15％。
96.采用上述的电压调控方法，能够使脉冲氟化氢激光器输出能量时间长且稳定。如图3所示，横坐标为氟化氢激光器的激光输出时间，单位秒，纵坐标表示激光的能量，单位j。通过电压调控，调控的电压在23-27kv的范围内，起始输出的能量为1.15j，经过20秒的激光输出，输出能量基本无变化。没有通过电压调控，电压一直保持25kv，起始输出电压为1.42j，在20秒的激光输出中，输出能量急剧降低，电压直至降至0.8kv以下。
97.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。