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使用布儒斯特窗片的紫外脉冲激光在长期漂移情景下的高传输功率稳定器
摘要
在此次研究中，我们研制了一款高传输功率稳定装置，该装置由布儒斯特窗片和PID（比例-积分-微分）控制器合并而成。我们使用248nm的KrF受激准分子激光信号，由PD（光电二极管探测器）收集稳定在长期漂移情况下脉冲激光器的功率波动。在45分钟的不间断运行后，其功率波动为平均2.73%，但是在功率稳定装置的作用下其功率波动平均为0.97%。这个功率稳定装置展示出96.9%的最大传送速率，优于传统的最大减光传输达到65.6%的装置。
- 介绍
显微机械加工的不稳定导致难以实现精密的控制激光功率。一般来说，在脉冲激光3%的功率波动情况下，对显微机械加工来说激光功率的测量和控制是必要的。众所周知所有激光展品的混乱不稳定是由于功率波动或者频率波动导致的。当意识到这些混乱的行为是几乎难以稳定时，研究人员们设计了数种核实或稳定长期漂移行为的方法。存在两种控制激光功率波动的方法，直接激光腔控制法和激光腔外控制法。这些方法可以高稳定的控制激光功率，然而，由于单频调谐和共振约束导致了功率损耗，同时也存在波长和功率输出的限制。为避免功率损耗，目前商业上激光机械加工中使用带有电介质过滤器的光衰减器。通过改变光射入电介质过滤器的入射角来实现耦合激光光束的连续衰减。电介质过滤器由于额外的光学组件诸如不带电的光学器件，可能出现90%的248nm波长传输限制。
为了解决上述功率稳定器的缺点，我们设计了在具有成本效益的长期激光漂移情景中的外部功率控制方法，该方法基于极化理论，使用半波片和不受激光波长和功率影响的布儒斯特窗片。此外，我们还考虑改善在光衰减方面的光传输。
本文描述了我们如何设计提高传统激光功率稳定器中的光传输方法。事实上，我们描述了一个在长期漂移情景中的脉冲激光功率稳定器，该器件使用布儒斯特窗片代替线性偏振器，来实现高于传统功率稳定器的光传输。这个功率稳定器结合了PID控制器来不断调整248nmKrF准分子激光的功率波动。
- 理论
按使用顺序装备布儒斯特窗，s偏振光会在第一个窗口反射，反射光、R偏振光和透射光在第二个窗口会经历同样的反射。当这个过程重复发生时，传播的s偏振光的量为，其中n为布儒斯特窗的数量。
基于这一理论和琼斯矩阵，我们可以制作减小光传输的功率稳定器模型。随着半波片从0°到45°的角度变化，p水平偏振（p-pol）和s水平偏振（s-pol）的组件也会以一定的速率变化。在布儒斯特角位置时，p-pol的透射率是1而s-pol是。就半波片的0°角来说，p-pol和s-pol代表的原始强度分别是1和0。在45°角的情况下，偏振状态发生从垂直到水平的改变。当激光光束通过功率稳定器，原始平面波已经通过一个2theta;的角度发生旋转。马吕斯定律指出当偏振光束通过一个完全偏振器后，通过的光强I为，其中为原始光强，theta;为入射的偏振光和偏振器轴线的夹角，即布儒斯特窗的代替。这个控制输出功率的结构称为光衰减器。因此，p-pol的强度值改变从到式(1)，是p-pol透射率。同样地，s-pol的强度会根据式（2）变化，在0°时是，指s-pol的透过率。在这里是指经过n次布儒斯特窗后p-pol和s-pol的透过率，theta;指半波片的角度。
（1）
（2）
经过基本理论和计算，减光传输可以导出为式（3）
（3）
角度的变化带来了减光传输的变化，这意味着激光功率的波动可以通过控制角度来持续弥补。PID控制器可以通过使半波片旋转来计算补偿在设定值和激光功率输出现值之间的差值。它能使激光输出功率达到设定值，这也是我们设计的功率稳定器工作原理。
另外，偏振度V可以使用（4）式计算。
（4）
其中指的是半波片角度为theta;时的光强总和。
- 实验装置
3.1 描述
Beam dump
theta;
HWP
P-pol
S-pol
KrF激光器
2480nm
Brewster window
PD
Laser path
Motor Controller
DAQQ
Peak and Sample Hold Amplifier
Signal path
PC
图1 光学系统原理图 功率稳定器和控制元素
功率稳定器和高功率紫外脉冲激光器出现在图1的光路原理图中。系统由两部分组成：功率稳定器和控制元素。功率稳定部分有一个半波片，两个熔融石英板，一个PD和束流收集器。控制元素包括峰值采样保持放大器、一个DAQ(采集)和电动机控制器。
我们的系统主要为248nm得受激准分子KrF激光器（GAM激光，EX10）。该设备提供300Hz的最大脉冲重复率，14ns的脉宽，100Hz条件下3.2W的平均输出功率和13kV的垂直线极化。
通过使用功率稳定器和峰值采样保持放大器来控制和获取数据，由国家工具LabVIEW提供技术支持。激光光束经过半波片和布儒斯特窗，由PD收集光束，搭配峰值采样保持放大器来积累采样时间。结果数据作为PID控制器的输入。在工业应用中，探测器的位置可以在加工激光和探测的信号激光之间适当的移动安放。
PID控制器基本上能补偿在给定设置点和由放大器收集的散落激光信号之间的误差。这导致旋转平台通过积累数量来转动半波片。
我们的功率稳定器主要是粘在旋转平台的半波片和一堆厚度为0.5mm的熔融石英板，在激光功率水平超过数瓦方面可代替商业化的光衰减器。我们的光学系统如下。首先，激光光束通过半波片，引起相位移，接着是布儒斯特窗，代替偏振片。放置两个熔融石英板是为了确保搞传输率和最小损失的偏振角度。通过控制p偏振组件与PID控制理论一致来稳定脉冲激光功率。旋转平台有每步0.005°的分辨率和移动最大速度每秒30°。
由于脉冲宽度仅仅持续几纳秒，几乎不可能去处理检测单个激光脉冲的峰值强度。这使得峰值采样保持放大器是必要的。这个设备接收输入激光脉冲信号，在特定连续时间内捕捉峰值强度。我们的放大器有1~16ms的采样时间。
3.2 实验方法
我们首先尝试基于PID控制器的脉冲激光功率稳定器，然后演示相关的光衰减。基于这种方法，我们尝试的功率稳定器根据实验经验选择设定增益比为5的PID控制器。设置点值被设置为独立的激光功率输出平均值。半波片在实验进程初始从0°慢慢旋转，为了获得实验空间。旋转平台通过几十步对应几度的角度来改变半波片的位置，这个度数是从设定值和现值的差异被计算出的。我们试图控制独立运行45分钟的激光器的功率波动。另外，我们基于以前描述的极化原则来评估光衰减。
4 结论
4.1 光衰减建模
使用公式和计算，我们可以通过布儒斯特窗数量的不同来建立强度衰减模型。图2显示激光光传输随着半波片从0°~45°的旋转而衰减。从图2可以看出，给定角度下布儒斯特窗数量增加会使激光光传输衰减更快。
我们得出尽管功率稳定器可以减弱激光光传输，但会改变偏振的程度。从计算和图2可以看出，有两个布儒斯特窗，半波片位于45°时，偏振角度改变14.1%，光传输衰减24.7%。在工业领域，保持激光偏振度可能很重要，工业参与人可能会担心激光偏振态的改变。然而，半波片仅仅几度的角度改变也暗示了偏振态的角度改变不是很大。
4.2激光功率稳定
我们计算了我们设备的光传输。在经过功率稳定器前后当半波片是0°时，系统显示光传输率是96.9%。这表明与传统的将传输率限制在90%的功率稳定器或者光衰减器相比是由优势的。我们通过控制光轴和半波片快轴之间的角度来测量最大和最小输出功率。从测量功率输出来看，当半波片角度theta;是0°和45°时，计算出65.6%的减光传输。在实验中，输入激光功率是180Hz、3.09W时，意味着稳定器可以从4.01到2.08w范围内改变传输激光功率。在激光微加工的应用领域中，激光传输功率被控制在加工条件下，提出稳定时仅仅几个百分比的波动都可以被稳定下来。
图3显示了45分钟的受激准分子激光器的脉冲波动。图3（a）表示脉冲激光的长期漂移，由于它的混沌不稳定使得没有证据表明脉冲是遵循某一趋势的。由PID控制器来控制脉冲激光功率的输出是必要的。我们比较了独立运行的激光器功率波动与经功率稳定器后在数个脉冲重复率的波动。图3（b）显示180Hz稳定输出功率的时间变化，表明与图3（a）的反应相比功率波动从2.73%改善到0.97%。得出结论，使用功率稳定器使得长期功率波动改善了64.5%。因此，由于固有的混沌行为，短期脉冲波动的稳定不是很明显。从变化的脉冲重复率来看，独立运行的激光器其RMS稳定性是2.81%，稳定的激光器其RMS稳定性是0.95%，提升大约66.3%。
5.结论
我们研究在紫外脉冲激光器情况下的高传输功率稳定器和使用布儒斯特窗的光衰减器。在缺乏普通的高功率紫外激光光学元件如偏振光学元件时，布儒斯特窗可以是个好的替代物。我们也试图通过改变布儒斯特窗的数量来建立光衰减模型。在两个布儒斯特窗情况下，我们的结果表明最大光传输达到96.9%，光传输可衰减24.7%。我们的激光显示出2.81%的净波动。功率稳定后，我们能够使稳定波动增长0.95%，在经过数个脉冲重复率计算有66.3%的平均提升。我们仅能在长期情况下稳定激光功率波动，而不是由于激光脉冲的混沌不稳定性而导致激光功率的脉冲变化。该设备表现出65.6%的光衰减传输，这足够控制仅仅百分之几的激光功率波动。
我们得出结论，在稳定激光功率输出的情况下，我们的设备和实验结果可能在配备有高功率激光的激光微加工领域中是有用的。
感谢
这项研究是由韩国知识经济部支持的（项目编号：10030267-2008-21）。
高功率平稳He-Ne激光器的单横模输出研究
带有平稳放电管的He-Ne激光器多模输出功率可以通过提高放电管的横向尺寸来提升。通过使用N型折叠光学谐振腔，高功率平稳He-Ne激光器管可以输出低阶模式。在N型折叠光学谐振腔中植入限模圆孔隔板，随着其孔径减小低阶模渐渐被抑制。使用带有4mm孔径的限模圆孔隔板的N型折叠光学谐振腔，1.4m放电长度的高功率平稳He-Ne激光器管可以实现超过80mW的单横模输出功率。通过实验研究得出它的输出特性和激光模式图案。本文介绍了实验方案并简洁的讨论了实验结果。
- 介绍
He-Ne激光器由于其成本低、寿命高和使用方便等优点适用于各种各样的应用。它的结果通常是简单的细长圆形毛细管，基本可以被用作放电管。1.通常的He-Ne激光器的输出功率是有限的低功率，比如低于75mW。2.基于等离子体参量和激光动力学过程的理论分析，人们发现具有二维放电横断面He-Ne激光器的输出功率可以通过增加放电管的横向尺寸来提升。此外，带有平稳放电管的高功率He-Ne激光器已经被实现并应用于肿瘤的临床光动力治疗PDT。
氦氖激光器报道的大功率光纤的输出模式包括丰富的高阶横模，使其在均匀照射下具有更强的发光强度分布，适用于PDT和激光物理治疗， 等等。然而，其横向模式的激光输出在其他应用中是失败的，这是由于其空间相干性较差，要求单横模输出。例如，可以通过使用He-Ne激光光学记录全息光栅；可以将He-Ne激光器用于激发以产生高质量的单花粉拉曼光谱；lambda;=632.8nm，P=47mW具有良好定义的高斯形分布的氦氖激光器可用于基于光学粒子性质的颗粒物质的光刻速度测定；并且用He-Ne激光照射可以用于热带念珠菌的突变，以增加其降解苯酚的能力，并从He-Ne激光输出的双倍频率获得连续的紫外激光。本文介绍了从He-Ne激光器中获得大功率单模横模激光器输出的实验方法，并对其实验结果进行了讨论。
- 实验方法原理及设计
为了从平稳输出的He-Ne激光器中获得单横模输出，在活性介质中使用N型折叠光谐振器。激活介质中的反弹的受激辐射能量将被集中，并且激光输出模式将进一步压缩成低阶模式。然后，限制模式的圆孔光阑被插入到折叠光学谐振器中以增加低阶模的衍射损耗并抑制谐振器中的低阶模振动，从而获得单横模激光输出。
根据上述原理，设计实验装置如图一，这里，激光管被设计成具有在放电管上具有平坦的侧向轴向结构，其具有1.4m的放电长度和225mm2的截面,此外，一对石英布儒斯特窗片B被连接在激光管的两端。阴极由氧化物膜制成，阳极由直径为3mm的钨极制成。其中一种气体是同位素He3而不是He。气体混合物以He 3：Ne = 7：1总压力为p = 0.6被填充在激光管中。
光学谐振器是由具有多个介质层的四个反射镜M1，M2，M3和M4组成的N型折叠平面 - 凹腔。镜子M2和M4是7.5米曲率半径的全反射凹面镜。镜子M3是总反射平面镜。 反射镜M1是激光输出的透射率为约2.8％〜3％的平面镜。光圈Dh的限位模式圆孔光阑H位于反光镜M4的前方。
-
实验调查与讨论
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资料编号：[138540]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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