[实用新型]二氧化碳激光波长测量装置

说明书

技术领域

    本实用新型涉及一种激光波长测量装置，特别涉及一种二氧化碳激光波长测量装置。

背景技术

随着二氧化碳激光在工业加工、通信、测量、以及医疗科研等众多领域越来越广泛的应用，方便快捷地测量二氧化碳激光器波长也正成为一种迫切的需求。二氧化碳激光器的主要工作物质由CO₂、N₂和He三种气体组成。其中C0₂是产生激光辐射的气体，N₂和He为辅助性气体。激光跃迁发生在C0₂分子电子基态的两个振动一转动能级之间。当二氧化碳激光器工作时，由于N₂分子受电子碰撞的几率很大，因此被有效地激发到第一激发态，其能量与C0₂分子上能级的能量十分靠近，能量很快从N2分子第一激发态共振转移到CO₂激光上能级上，使其粒子数增加。当CO₂分子上能级与下能级形成粒子数反转时，通过受激辐射产生跃迁。但除振动外，C0₂分子还有转动，故每个振动能级可以分成一系列转动能级，使得二氧化碳激光器的输出波长在9-11 μm的范围都有可能出现。目前测量二氧化碳激光波长参数的装置大致分为几类，一类是波长计，功能简单，操作方便，精度也比较高，但是一般只能读出波长数据，当激光器是多波长或者光谱较宽时，测量有可能不准确。一类是扫描F-P腔，主要是研究激光器的光谱形状，一般不给出波长的绝对数值。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有二氧化碳激光波长测量装置的缺点，提供一种具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点的二氧化碳激光波长测量装置。

本实用新型的技术方案是，一种二氧化碳激光波长测量装置，特点是，该装置主要包括光学系统、电子系统和扫描系统，所述的光学系统包括聚焦球面反射镜、物镜、入射狭缝、第一准直球面反射镜、平面衍射光栅、第二准直球面反射镜、出射狭缝和碲鎘汞探测器；所述的电子系统主要包括前置放大器、计算机、A/D变换器和D/A变换器；所述扫描系统由步进电机和正弦机构组成，正弦机构通过丝杠与平面衍射光栅相连接；由二氧化碳激光光源发出的光束进入入射狭缝，入射狭缝位于聚焦球面反射镜的焦面上，通过入射狭缝射入的光束经第一准直球面反射镜、聚焦球面反射镜反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构控制转动的平面衍射光栅上，得到波长与平面衍射光栅转动角度成正弦关系的衍射光束，该衍射光束经物镜、第二准直球面反射镜和出射狭缝到达碲鎘汞探测器，通过出射狭缝的出射光信号经碲鎘汞探测器变换为电信号，电信号经前置放大器放大经A/D变换器将模拟量转换数字量，由计算机处理测得二氧化碳激光波长。

所述的碲鎘汞探测器的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配。

所述的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调。

二氧化碳激光波长测量原理：

由二氧化碳激光光源发出的光束进入位于聚焦球面反射镜的焦面上的入射狭缝，通过入射狭缝射入的光束经第一准直球面反射镜、聚焦球面反射镜反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构控制转动的平面衍射光栅上，得到波长与平面衍射光栅转动角度成正弦关系的衍射光束，根据光学原理，通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系，如图1所示， 

光栅方程为

，     

其中，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的光谱仪来说为一常数，d为光栅常数，为入射光波长，m为衍射级次，取0、1、2等整数。

本实用新型的扫描系统是根据上述光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而使平面衍射光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，碲鎘汞（CdHgTe）探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱，通过输出狭缝选择相应的波长进行记录。