典型的TE CO2激光脉冲, 通常由高功率窄脉冲(100 ns)和低功率长拖尾部分(3~5 μs)组成。采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以实现对低功率长拖尾部分的有效吸收和散射, 保留需要的高功率窄脉冲前沿部分, 达到激光脉冲压缩和整形目的。详细研究了小孔位于不同离焦距离时整形激光脉冲波形的变化, 获得了整形激光脉宽、能量与离焦距离的变化关系, 实现了50~110 ns的窄脉冲CO2激光输出。进一步研究发现, 小孔等离子体开关的使用寿命主要由激光脉冲能量、重复频率、整形脉冲宽度决定。通过该技术实现的窄脉冲CO2激光可以用于极紫外光刻等离子体光源、激光雷达等领域的研究。

研究了一台增益体积为2.48 L,采用pulser/sustainer放电技术激励的高功率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器采用普通平凹稳定腔输出或光栅谐振腔调谐输出。在20-40 kPa气压范围,10-50 μs放电脉冲宽度下,均获得均匀稳定的大体积辉光放电和大能量长脉冲激光输出。给出了激光器在不同脉冲宽度、不同气压下的典型放电电压、放电电流波形和详细的激光输出脉冲能量及电光转换效率数据;也给出了采用光栅谐振腔调谐输出时4条主要激光跃迁谱线的输出激光脉冲波形。工作在非调谐谐振腔和激光混合气气压30 kPa时,激光器以50.1 μs放电脉冲宽度工作,单脉冲输出激光能量11.1 J,相应脉冲功率达220 kW;以31.6 μs放电脉冲宽度150 Hz高重复频率工作输出平均功率达1.52 kW,相应平均脉冲能量10.0 J,脉冲功率超过300 kW。

详细研究了一台增益体积为1.17 L, 采用pulser/sustainer技术激励的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器最高脉冲重复频率100 Hz, 输出激光脉冲半峰全宽(FWHM)约23.0 μs。实验记录了稳定辉光放电与有起弧的辉光放电时激光器的放电电压/电流波形; 测量得到当sustainer充电电压从12 kV到30 kV时, 激光器输出脉冲能量从约0.40 J变化上升至约4.0 J, 观察到在同一sustainer充电电压下, 激光器输出平均功率随脉冲重复频率线性变化; 监测到激光器以sustainer充电电压22 kV, 重复频率100 Hz连续工作10 min时, 输出平均功率仅从最大257 W下降至247 W。实验数据表明, 与采用低感快脉冲放电激励相比, 这种新型的长脉冲TE CO2激光器具有增益开关效应小、输出动态范围大、“起弧适应性”好、输出平均功率下降慢等特点。

采用光栅谐振腔,对一台基于Pulser/sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究。在增益体积为1.17 L,激光混合气体体积比V(CO2):V(N2):V(He)=1:5:19,工作气压为30 kPa条件下,实验测量了75条激光谱线的输出脉冲能量和脉冲宽度(半高全宽,FWHM),结果表明,相同的激励条件下,不同的激光波长,激光输出脉冲宽度有所不同。通过仔细观察比较四条主要谱线(9R(20),9P(20),10R(20),10P(20))的激光输出脉冲波形随放电电压、放电脉宽以及气体成分配比等的变化情况,说明基于pulser/sustainer技术激励的长脉冲可调谐TE CO2激光器的激光输出脉冲宽度随调谐波长的不同而变化。简单实验分析表明,谱线增益的变化可能是引起谱线输出脉冲宽度不同的主要原因。

提出了一种新型侧面滑闪放电技术,为TE CO2激光器均匀放电提供高效、均匀的紫外预电离。采用这种技术,成功实现5.5 cm电极间距的高气压CO2均匀放电,放电截面达27.5 cm2。放电体积为5.5 cm×5 cm×90 cm的单元模块采用V(CO2)∶V(N2)∶V(He)=1∶1∶4的混合气体在60 kPa的气压下,获得了53 J的激光脉冲输出,激光比输出能量达3.46×10-4 J/(L·Pa)。采用简单的谐振腔,利用两个相同的单元模块串联实现了103 J的激光输出。实验表明双模块器件存在很强的激光脉冲能量增强效应,双模块串联输出的激光能量比单模块激光能量的两倍还大15%。

研制了一台增益体积为1.17 L的长脉冲紫外预电离TE CO2激光器。基于Pulser/sustainer技术,设计了独立可控的双高压开关抽运电路。在激光混合气体比CO2∶N2∶He=1∶2.5∶13,总气压30 kPa时,以6 nF的Pulser电容控制100 nF的Sustainer电容,获得稳定的辉光放电,激光比注入能量达1.607 J/(kPa·L),其中,Pulser能量不到全部注入能量的5%。另外,在保持Sustainer总电容100 nF不变的情况下,设计了两种脉冲宽度略有不同的Sustainer电路,均获得了稳定的辉光放电,实验测量了放电电压、放电电流与输出激光脉冲波形,并分析了Sustainer放电的阻抗特点。激光器采用“Z”形折叠腔结构,输出激光脉冲宽度达20 μs,电光转换效率超过12.0%,最大脉冲能量为6.5 J。