Study on synchronous modulation Q-switched RF excitated waveguide CO₂ laser

中小功率射频激励CO₂激光器具有结构紧凑、易于快速调制、工作电压低、器件寿命长等优良特性，在材料加工、医疗外科和激光雷达等领域得到了广泛的应用^[1-2]。近年来高重复频率、短脉冲宽度、高峰值功率脉冲CO₂激光器的需求不断增长^[3-5]。目前国内中小功率射频激励CO₂激光器主要是通过电调制实现脉冲输出，其脉冲宽度在百微秒量级^[6]、电光效率不高^[7-8]，在一定程度上限制了射频CO₂激光器的应用。

在射频激励波导CO₂激光器中使用的调Q技术主要有电光调Q、声光调Q和机械调Q。电光调Q的特点是调Q脉冲重复频率高、脉冲宽度窄^[9], 但电光晶体不易生长且价格昂贵，增加了制造成本, 并且由于电光晶体损伤阈值低，电光调Q主要用于小功率激光器。声光调Q的特点是可以对脉冲激光进行编码^[10], 但声光调Q开关的插入损耗大，导致激光器的效率不高。相较于电光调Q和声光调Q，机械调Q具有脉冲峰值功率高、结构简单、成本低廉等优势^[11]。

根据矩形波导耦合效率理论研究^[12-15]，已在半外腔射频激励波导CO₂激光器中实现了机械调Q，获得了高重复频率，高峰值功率的调Q脉冲输出^[16]。为了增大机械调Q脉冲的峰值功率，一般是提高斩波片的运动速度以缩短Q开关的开启时间，尽可能减小腔内损耗, 以保证在Q开关开启时间内有较高Q值。此种做法虽可产生前沿陡峭、高峰值功率的调Q脉冲，但不利于巨脉冲形成后反转粒子数的消耗，使得输出的调Q脉冲带有很长的拖尾^[17]。而聚积在脉冲后沿的这部分能量所产生的热效应，在激光探测、加工等应用中是极其不利的，应尽可能消除^[18]。

本文中提出了一种在射频激励波导CO₂激光器中将电调制与机械调Q结合的同步调制激励方式，通过精确调控激励电源的占空比和截断时刻与调Q脉冲之间的关系，可在保持输出脉冲宽度不变的同时，有效地截断脉冲拖尾，提高电光效率和峰值功率。

实验装置如图 1所示。半外腔射频波导CO₂激光器的波导纵横比m=2，波导口尺寸为1.5mm×3mm，放电增益区的长度为343mm，其中充入体积混合比为$ V({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}):V({{\rm{N}}_{\rm{2}}}):V\left( {{\rm{He}}} \right):V\left( {{\rm{Xe}}} \right) = 1:{\rm{ }}1:{\rm{ }}2:0.25$的混合气体，气压为13kPa。平面全反镜置于距离波导口10mm处构成半外腔，输出镜采用透过率为15%的硒化锌窗口片，获得了EH₁₁耦合效率高于80%的激光输出。

Figure 1.  Schematic diagram of synchronous modulation Q-switched radio frequency excitated waveguide CO₂ laser

斩波器为Thorlabs公司生产的MC2000光学斩波器，电机转速为100r/s。斩波片直径为102mm，开口宽度为2mm，开口数为10，置于距波导口5mm处。在波导口处安装红外探测器监测斩波片的运动状态，监测信号输入同步调制控制电路，处理后输入射频电源脉冲调制端口。

使用Gentec-EO公司生产的UP25N-250F-H12型激光功率计测量输出光平均功率，使用碲镉汞探测器探测输出调Q脉冲波形。

同步调制控制电路工作时序如图 2所示。斩波片运动信号是一列宽度一定的周期矩形脉冲信号，其周期取决于斩波片的开口数及转速，占空比取决于斩波片的直径、开口宽度及开口数。本实验中斩波片运动信号的重复频率为1kHz，占空比为7.5%。

Figure 2.  Sequence diagram of synchronous modulation control circuit

原始调Q脉冲是在一般激励方式下，即射频电源连续激励时产生的调Q脉冲序列。由于巨脉冲形成后Q开关不能及时关闭，腔内损耗仍然较低，调Q脉冲带有较长拖尾。为方便对比不同激励方式下脉冲拖尾的长度，本文中将调Q脉冲峰值降至0.1%时所对应的两个时刻差定义为脉冲拖尾长度τ₂。

同步调制信号是控制射频激励源的周期矩形脉冲信号。其下降沿由斩波片运动信号上升沿触发，延迟时间为t₁。在t₂时长的低电平(0V)状态后返回高电平(5V)状态直到斩波片运动信号上升沿再次触发。由于射频激励源在同步调制信号为低电平期间无电功率输出，因此将低电平时长t₂定义为无激励时长, 并定义同步调制信号的下降沿与原始调Q脉冲峰值两时刻差t₃为截断时刻，当同步调制信号的下降沿晚于原始调Q脉冲峰值时刻t₃为正值，反之为负。

通过调整电路可实现同步调制信号占空比不变的同时截断时刻由负到正的连续变化，以及截断时刻不变的同时占空比的连续变化。

图 3所示是一般激励方式下以及截断时刻t₃为-50μs, 0μs, 48μs时输出的调Q脉冲波形。图 3a所示为一般激励方式下输出的重复频率为1kHz的调Q脉冲，脉冲宽度为380ns，拖尾长度为54μs；图 3b所示为当截断时刻t₃=-50μs时输出的调制调Q脉冲，脉冲宽度为290ns，拖尾长度为30μs；图 3c所示为当截断时刻t₃=0μs时输出的调制调Q脉冲，脉冲宽度为320ns，拖尾长度为44μs；图 3d所示为当截断时刻t₃=48μs时输出的调制调Q脉冲，脉冲宽度为250ns，拖尾长度为48μs。为进一步研究同步调制信号的控制参量，即截断时刻和无激励时长对调制调Q脉冲的脉冲宽度、拖尾长度、峰值功率等特性的影响，测量了在无激励时长t₂=600μs时拖尾长度、脉冲宽度、峰值功率与截断时刻的关系，如图 4~图 6所示。

Figure 3.  Pulse waveform with differrent excitation modes

Figure 4.  Relationship between pulse tail width and cut-off time

Figure 5.  Relationship between pulse width and cut-off time

Figure 6.  Relationship between peak power and cut-off time

从图 4、图 5中可以看出, 当截断时刻t₃为负值，即射频电源的激励早于脉冲产生前截止时，随着截断时刻t₃绝对值的增长，脉冲宽度τ₁基本不变，拖尾长度τ₂变短。当截断时刻t₃为正值，即射频电源的激励晚于脉冲产生后截止时，随着截断时刻t₃的增长，脉冲宽度τ₁基本不变，拖尾长度τ₂变长。

对比图 3中一般激励方式下输出的调Q脉冲的拖尾长度可知，当射频源提前于脉冲产生时停止激励可以有效斩断脉冲拖尾，由于在Q开关打开、开始形成脉冲时，腔内损耗虽然较小但是激励为0，加速了翻转粒子数的消耗，斩断了拖尾, 但是当射频源过早(t₃ < -80μs)于脉冲产生前停止激励，会导致输出脉冲激光不稳定。这是因为在激励源停止激励时Q开关仍然处于关闭状态，停止激励后, 翻转粒子数不断消耗，当Q开关打开时，翻转粒子数刚刚超过阈值，仅能勉强输出很微弱的调Q脉冲。

从图 5中可以看出，截断时刻t₃对脉冲宽度的影响较小，同步调制激励方式下输出的调Q脉冲宽度在300ns左右，与一般激励方式下输出的调Q脉冲宽度基本一致。

在一般激励方式下输出的调Q脉冲峰值功率为75W。从图 6可知，当截断时刻t₃>-40μs时，调制调Q脉冲的峰值功率随截断时刻的变大缓慢上升，保持在130W以上，较一般激励方式提高了73%, 即当射频激励适当早于脉冲形成前截断，不仅对于主脉冲没有影响，还会大大地削弱拖尾，获得高峰值功率的调制调Q脉冲; 当截断时刻t₃ < -40μs时, 调制调Q脉冲的峰值功率随截断时刻的变小急剧下降，即当射频激励过早于脉冲形成前截断，会降低输出脉冲的峰值功率。这是由于过早结束射频激励影响了翻转粒子数的积累，使得调制调Q脉冲峰值功率下降。

结合图 6中截断时刻对拖尾长度的影响可知，当截断时刻t₃ < -40μs时，虽然调制调Q脉冲具有很短的拖尾，但峰值功率急剧下降；当截断时刻t₃>-40μs时，虽然峰值功率较高，但拖尾较长。综上所述，当截断时刻t₃=-40μs时，输出的调制调Q脉冲在拖尾较短的同时，具有较高的峰值功率。

图 7所示为电光效率和无激励时长的关系。在一般激励方式下，注入电功率为125W，输出调Q脉冲激光平均功率为0.5W，电光效率为0.4%。从图中可以看出, 当无激励时长小于400μs时, 同步调制激励方式下的电光效率近似于一般激励方式下的电光效率。之后随着无激励时长的延长，同步调制信号占空比变小，注入电功率成比例减小，电光效率提高; 当无激励时长=800μs，即同步调制信号占空比为20%时电光效率为3%达到最大值，相比一般激励方式提高了650%。当无激励时，长继续延长电光效率迅速下降，当无激励时长t₂=960μs时, 虽然仍有0.8%的电光效率, 但此时激光器运转已经不稳定。

Figure 7.  Relationship between electro-optical efficiency and non-excitated duration t₂

本文中基于半外腔机械调Q射频激励波导CO₂激光器，采用同步调制激励方式，通过改变同步调制信号的占空比和截断时刻的方式获得了高电光效率、短拖尾的调Q脉冲激光输出。

从电光效率分析可知，当同步调制信号无激励时长为800μs、即占空比为20%时，有最大电光效率3%，是一般激励方式电光效率(0.4%)的7.5倍。从拖尾长度分析可知，当同步调制信号截断时刻为-80μs时, 调制调Q脉冲拖尾长度最短，为23μs。从峰值功率分析可知，当同步调制信号截断时刻为74μs时, 调制调Q脉冲峰值功率最高，为135W。综合拖尾长度和峰值功率，当截断时刻为-40μs时, 调制调Q脉冲具有短拖尾、高峰值功率。

作者下一步将开展在高重复频率机械调Q射频激励波导CO₂激光器中实现高电光效率、高峰值功率、短拖尾的调Q激光输出。