一种测量CO2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置

本发明属于激光，更具体地，涉及一种测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置。

背景技术：

1、高功率、高重复频率、高光束质量的短脉冲co2激光作为驱动光源与液滴锡靶作用，是当前获得13.5nm极紫外光的主流方案，因为co2激光可以提供可实现的平均功率、极紫外光转换效率和轰击靶材产生最小碎片的最佳组合。co2驱动激光需要满足持续时间为5-20ns、重复频率超过几十千赫兹、平均功率高达数十千瓦的需求，所以必须使用主振荡功率放大结构。因此，对于纳秒级短脉冲co2激光放大的时域增益演化研究是一项重要内容。

2、纳秒脉冲在co2激光放大器中的放大效率低于长脉冲以及连续激光，通过单个旋转线上振荡的输入激光脉冲，受极限旋转弛豫时间常数的限制，没有足够的时间将co2激光放大器中存储的全部能量耦合出来。限制纳秒脉冲的有效放大的另一个因素是在非对称振动模式v3和对称振动模式v1振动模式的0001和1000振动能级之间模内弛豫，以及对称振动模式v1和弯曲模式v2振动之间的费米共振弛豫，当模内弛豫时间大于或者相当于脉冲持续时间时，放大器能量提取会变少。提高纳秒短脉冲co2激光脉冲放大性能的方法有以下三种。第一，增加激光气体的压力，因为弛豫时间与压力成反比。第二，通过多谱线或co2激光两个频带的受激发射从放大器中提取能量。通过这种技术获得的结果取决于脉冲持续时间与旋转弛豫时间的比率、入射脉冲的强度和光束轮廓均匀性等。第三，使用多程放大器，通过增大光程获得更高的放大输出，在脉冲再次放大之前需要具有最佳的增益恢复，这与各项弛豫时间密切相关。因此，研究短脉冲co2激光放大过程中的各种弛豫现象对放大性能的影响也是一项重要内容。

3、因此，在主振荡功率放大结构中，使用纳秒级短脉冲co2激光作为种子源放大，不仅需要关注放大器的时域增益演化，还需要关注放大过程中的各项弛豫时间，比如气体混合物n2与co2激光上能级的共振能量转移、模内弛豫、费米共振弛豫、转动弛豫等等。传统的测量放大器增益方式使用两个独立且通常不相同的co2激光探测器，分别测量放大前后的激光功率与脉冲波形，需要使用具有差分输入的示波器将放大后的激光(即增益加探测激光信号)减去探测光束。co2激光气体混合物中的弛豫过程已经由不同的国内外工作者给出，例如国外学者e.e.stark通过垂直于脉冲方向的连续可调谐激光探测放大器末端附近小信号增益的时间历程，可以测量0001和1000振动能级之间模内弛豫速率，但是这些方案实现难度较大，且不能结合放大器增益时域演变优化放大性能。

4、综上，现有技术中缺少一种既能有效地在单次测量中监测未放大和放大后的探测光束，得到固定空间区域内激光放大器增益的时间演变，确定放大器最大增益时间以注入种子激光，又能分析放大过程中的弛豫现象的方案，这样的分析反过来可以用于优化激光放大性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其目的在于简化传统增益测量装置的同时研究放大过程中的各种弛豫现象。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，包括：连续co2激光种子源、短脉冲co2激光种子源以及位于短脉冲co2激光种子源出射光路的第一分光镜；脉冲co2激光信息探测模块，位于第一分光镜的透射光路；第一薄膜偏振片，位于第一分光镜反射光路和连续co2激光种子源出射光路的交汇处；连续co2激光种子源产生的探测信号光的p偏振光经第一薄膜偏振片完全透射，短脉冲co2激光种子源产生的干扰脉冲信号光经第一分光镜反射的部分中的s偏振光经第一薄膜偏振片完全反射，之后合束射出；依次位于第一薄膜偏振片出射光路的co2激光放大器、第二薄膜偏振片、第二分光镜、斩光轮模块和第一碲镉汞探测器；吸收体，位于第二薄膜偏振片的反射光路和第二分光镜的反射光路；时间选通电路，用于控制连续co2激光种子源、短脉冲co2激光种子源和co2激光放大器的启闭时间。

3、更进一步地，所述连续co2激光种子源产生的探测信号光采用p偏振光，所述短脉冲co2激光种子源产生的干扰脉冲信号光采用s偏振光。

4、更进一步地，所述短脉冲co2激光种子源采用多谱线短脉冲co2激光种子源，用于产生不同谱线、不同脉宽的干扰脉冲信号光。

5、更进一步地，所述斩光轮模块包括：两个透镜以及位于这两个透镜之间的旋转斩光轮，所述旋转斩光轮的转速可调。

6、更进一步地，所述脉冲co2激光信息探测模块包括第二碲镉汞探测器和波长计，用于检测短脉冲co2激光种子源输出谱线的时域波形和波长。

7、更进一步地，所述co2激光放大器为射频激励的轴快流co2激光放大器。

8、更进一步地，装置的测量过程包括：时间选通电路开启连续co2激光种子源和co2激光放大器，关闭短脉冲co2激光种子源，经过设定时间后，利用第一碲镉汞探测器获取放大器增益脉冲信号，并确定放大器增益以及最大增益时刻；时间选通电路在最大增益时刻开启短脉冲co2激光种子源，利用脉冲co2激光信息探测模块测量干扰脉冲信号光的波长和脉宽，放大后的干扰脉冲信号经第二薄膜偏振片反射进入吸收体，利用第一碲镉汞探测器获取放大器受到干扰后的增益脉冲信号，以测量相应的弛豫过程。

9、更进一步地，测量相应的弛豫过程时，逐步缩小干扰脉冲信号光的脉宽，并改变脉冲谱线。

10、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

11、(1)提供了一种测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，设置有连续co2激光种子源和短脉冲co2激光种子源，并通过时间选通电路控制这两个种子源的启闭，探测信号光偏振方向垂直于干扰脉冲信号偏振方向，经第一薄膜偏振片合束后，二者共轴通过co2激光放大器，又经第二薄膜偏振片分束，由此，既能得到经过脉冲干扰信号后的放大后的探测光束，确定纳秒级短脉冲放大的时域增益演化，又能够跟踪纳秒时间尺度上发生的弛豫过程，使得该装置既可测量co2激光放大时域增益演化现象，也可以测量co2激光放大的弛豫过程，并且装置结构简单；

12、(2)仅采用第一碲镉汞探测器便可实现co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的测量，避免了使用两个不相同的探测器分别探测放大前后的激光，有效地在单次测量中监测未放大和放大后的探测光束，得到固定空间区域内激光放大器增益的时间演变，确定放大器最大增益时间以注入种子激光；

13、(3)短脉冲co2激光种子源采用多谱线短脉冲co2激光种子源，可以实现不同的谱线、不同脉冲宽度输出，研究各种情况下的放大过程与弛豫过程，优化放大性能；

14、(4)激光种子源与旋转斩光轮同步，通过控制斩光轮转速，不仅可以在检测器处产生适当宽度的脉冲，而且可以削弱激光对探测器的加热效应，且能精确控制在最大增益时刻向放大器注入高强度短脉冲。

技术特征：

1.一种测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，所述连续co2激光种子源(1)产生的探测信号光采用p偏振光，所述短脉冲co2激光种子源(2)产生的干扰脉冲信号光采用s偏振光。

3.如权利要求1所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，所述短脉冲co2激光种子源(2)采用多谱线短脉冲co2激光种子源，用于产生不同谱线、不同脉宽的干扰脉冲信号光。

4.如权利要求1所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，所述斩光轮模块(9)包括：两个透镜以及位于这两个透镜之间的旋转斩光轮，所述旋转斩光轮的转速可调。

5.如权利要求1所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，所述脉冲co2激光信息探测模块(4)包括第二碲镉汞探测器(41)和波长计(42)，用于检测短脉冲co2激光种子源(2)输出谱线的时域波形和波长。

6.如权利要求1所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，所述co2激光放大器(6)为射频激励的轴快流co2激光放大器。

7.如权利要求1-6任一项所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，装置的测量过程包括：

8.如权利要求7所述的测量co2激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，其特征在于，测量相应的弛豫过程时，逐步缩小干扰脉冲信号光的脉宽，并改变脉冲谱线。

技术总结本发明公开了一种测量CO<subgt;2</subgt;激光放大时域增益演化及弛豫过程的装置，属于激光技术领域，装置包括：连续CO<subgt;2</subgt;激光种子源、短脉冲CO<subgt;2</subgt;激光种子源、位于短脉冲CO<subgt;2</subgt;激光种子源出射光路的第一分光镜；脉冲CO<subgt;2</subgt;激光信息探测模块，位于第一分光镜的透射光路；第一薄膜偏振片，位于第一分光镜反射光路和连续CO<subgt;2</subgt;激光种子源出射光路的交汇处；依次位于第一薄膜偏振片出射光路的CO<subgt;2</subgt;激光放大器、第二薄膜偏振片、第二分光镜、斩光轮模块和第一碲镉汞探测器；时间选通电路，用于控制连续CO<subgt;2</subgt;激光种子源、短脉冲CO<subgt;2</subgt;激光种子源和CO<subgt;2</subgt;激光放大器的启闭时间。该装置简化传统增益测量装置的同时研究放大过程中的各种弛豫现象。技术研发人员：李波,游聪,林高洁,黄维受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26