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用于便携系统的新款稳定型射频二氧化碳激光器

来源:本站    发布时间:2014-12-2 15:32:03    点击量:

用于便携系统的新款稳定型射频二氧化碳激光器

全新的特点将用于各种工业领域中的遥感和计量设备更加商业化
 
一种新的封离型射频激励CO2激光器不仅具有紧凑的外形、消耗极少的功率、较高的频谱纯度、有限的衍射空间分布模式、光谱能长期稳定,而且能够利用计算机进行调谐和稳定,寿命超出10000小时。
 
二氧化碳分子做为激光发射的波长跨度范围为9.2到10.8μm。一系列丰富的碳和氧同位素能组成17种不同的分子类型,可产生共18套独特的光谱线。每一套实际上都可以得到超过40根谱线,这些同位素分子填补彼此的间隙,并扩展光谱范围两端极限值从低至9μm到高达12μm [ 1 ] 。通常称为长波长红外(LWIR), 有许多分析激光的光谱方法就是利用这个范围内有密集的激光发射光谱。
与此同时,有需要检测气体痕迹量,正是利用长波长红外范围内的另一个特点即显著吸收许多无机和有机气体[ 2 ] 。这些应用来自不同领域,例如工业过程控制,环境保护, 医疗诊断,电力传输,药物和生物学研究, 化学武器遥感等。
 
尺寸问题
由于传统的二氧化碳激光器体积庞大,因此以上这些分析方法主要限于实验室环境。例外情况有利用低功率量子级联激光器。
当出现一个新型封离RF激励 CO2激光器时这种情况就改变了。因此,便携式带钥匙开关的系统正在被设计开发,应用于世界各地的工厂、野外和医院。许多这类系统是基于激光光谱学原理,而另一些则用于照明或测试长波红外区域的热显像设备。结合了准确的波长、高光功率、便携性、低成本、坚固的紧凑型CO2激光器自然而然使得它更倾向这类应用。
 
适用于便携式应用
 190至320毫米的长度和只有1公斤的重量使得CO2激光器更加商业化,能提供400 mW以上的连续光功率。他们很容易集成到便携式或台式机系统,甚至系统能够在没有交流电源的偏远地方使用。这些激光器消耗很少的电力约10至30瓦,甚至连常规的多种类型的12-16V充电电池如铅酸,锂离子电池,镍镉和镍氢都可以完全驱动。如果方便,这些激光器也可用一个明显比标准笔记本电脑需要用的还要小的插拔式直流电源来供电。虽然往往是需要风冷却,但是许多这些激光器可以将一套小风扇直接固定到激光本体上冷却。在某些情况下甚至还可以在不需要风冷条件下工作,仅仅依靠自然对流即可。
400mW稳定型激光器(中)和它的RF电源(右)以及温控盒(左)
 
波长稳定
短腔CO2激光器的一个固有特征是跳线、光谱不稳定以及功率摆动。跳线在大多数应用中都是不希望出现,特别是需要谱线稳定和功率稳定的情况下是非常不利的。这种现象是由于不断变化的周围环境(例如,温度、湿度以及空气流的强度和方向)引起激光器谐振腔尺寸的变化所导致的。由此产生的腔长变化造成每个谐振腔模式的频率都会漂移,因此就会发现激光会根据增益状况从一条谱线跳到另一条谱线。
为了克服这个问题可以采用特殊的反馈控制技术。一种反馈回路利用其自发热来稳定激光器温度,以尽量减少腔长波动。另一种控制方式是用压电致动器来补偿腔长波动。将两者相结合的控制技术带来更强的稳定性。采用低的热膨胀材料组装激光腔,例如阴钢和特种碳纤维复合材料也有助于稳定。因此,最新的激光器能够在所需谱线上保持单一模式和稳定的输出功率并工作数小时甚至数天时间。
控制住谐振腔长度,实际上我们就可以利用跳线现象:稳定型激光器的波长可以调谐,通过调整腔长、或者设置不同温度或压电运动等方式。对于一些激光器,通过以上这些技术,在波长为0.4微米的范围内能可靠输出多达10条光谱线,参见图2所示。
紧凑型CO2激光可以非常容易的将电子控制和显示、数据收集和分析,如果有必要还可以样本分配等集成到一个商业包装内。一些激光光谱技术已被用于商业系统:光声光谱法[3,4] 、差分吸收光谱法[5] 、光电光谱法[6,7] ,和腔衰荡光谱法[8] 。另一种技术,“方向散射/吸收气体成像”(BAGI)需要使用谱线可调的激光器和热成像来检测气体泄漏(图3)[9]。
 
BAGI设备将高压开关中泄露出来的不可见气体揭示出来
稳定激光器的长相干长度使它更有利于制造台式红外干涉系统(图4)。使用波长稳定型CO2激光器的激光斐索干涉仪做为光学测量应用于高精度测量表面形态和传输波阵面用的光学元件和组件[10] 。
即使在较为传统的材料加工领域,通过激光输出谱线稳定实现功率稳定,从而改进了医疗设备制造,尤其是在处理生命攸关的器官时高稳定性和重复性是非常重要的。
Fizeau干涉仪用于10um光学范围
 
谱线电脑化调节和稳定
上述一些应用需要在一个更广的谱线范围内调节。光栅调谐激光器可以满足这一要求,可调范围从9.2到10.8微米。这类激光器可提供的输出功率为200mW以上。碳的同位素13C可以使 CO2激光波长范围增加到11.2微米,而与氧同位素18O配合, CO2激光波长输出可接近9.0微米。光栅调谐激光器也可以具有紧凑的外形,短至320mm,而且能使用普通的电池或直流电源供电。这些激光也可以风冷。
在实验室环境中,往往用手动千分尺调谐已经足够了,但做为现代分析仪器电脑化是一个基本要求。将光栅安装在线性驱动器、步进电机或检流计电机上可实现自动调谐。反过来这又通过电脑来控制,即触摸一个按钮就可以实现从多达80条 激光谱线选取其中一条。
许多应用要求激光扫描通过时保持在某一根谱线上且功率恒定。为了满足这种要求就对输出的光束进行采样和补偿。图5显示的是激光器配备了这样的装置。
                           
可调谐激光器出光口带45度角采样接口,           截屏的是扫描预编程的五条谱线的激光功率和时间
线性马达用来调谐,后端的压电反馈控制           的关系。当停留在一根谱线上是能保持功率稳定输出。
使之达到稳定。激光器和它的RF电源如             五个平直的线就是。
图所示(中)以及DC电源(左)
 
可调谐激光器只符合大多数系统设计师的一半的要求。对于系统集成商,了解和核实在任何特定时间内激光发射的确切谱线同样很重要。已研究出不同的方法和算法来识别一条或多条谱线且具有较高的可信度,如安装一个吸收单元内含已知吸收峰值的物质、给系统增加一个衍射光栅且可以校准角度、用波长仪记录光谱强度的模式与光栅位置之间的关系,等等。一旦一条或多条谱线被辨识出来,基于激光器的行为通过适当的电脑运算就可以将其他所有谱线去除掉。图6显示的是利用图5中的采样探测器所记录的谱线序列。该软件通过扫描可识别出每个激光谱线,并允许用户每次扫描可选择多达五条谱线。在每条谱线上的停留时间内输出功率保持不变。
 
摘要:继续使用的CO2激光技术
新一代的便携式二氧化碳激光器利用自然丰富的谱线。利用这些新功能的系统可能存在巨大的商业潜力,如监测碳排放量是作为一个全球碳交易的基础、检测和监测温室气体、红外干涉,以及更多的二氧化碳激光材料加工等常规应用。
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