CN108767630A - 一种激光脉冲展宽系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光脉冲展宽系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明中激光环腔1和激光环腔2的45度分束镜Ⅰ和45度分束镜Ⅱ共有，激光器系统、45度分束镜Ⅱ和45度分束镜Ⅰ自前至后排列，且激光器系统的激光出口、45度分束镜Ⅱ和45度分束镜Ⅰ的中心在一条前后直线上；激光器系统的激光出口、激光环腔1中45度反射镜Ⅰ、45度反射镜Ⅱ、45度分束镜Ⅰ和45度分束镜Ⅱ、激光环腔2中45度反射镜Ⅲ和45度反射镜Ⅳ的中心在同一水平面内；本发明能将原高能脉冲激光转变为低峰值功率和宽FWHM的高能脉冲激光，降低了激光脉冲展宽系统中准直激光光路工作的难度，且激光在激发区内的空间分辨率和激光能量利用率得到提高。
Description
技术领域
本发明属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种激光脉冲展宽系统。
背景技术
通过激光自发拉曼散射光谱测量技术，可以实现复杂燃烧场环境下的主要组分(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)、组分浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有测量的非接触性、多物种测量同步性、定量性及时间(纳秒级)和空间(毫米级)的分辨能力，目前已经广泛应用于如发动机燃烧室内或某封闭的或大气环境下的各种燃烧体系中。由于气态物种的分子数密度较液态和固态物质的小的多，一般选用高能脉冲激光器出射的激光作为激发光源。可是，这种激光器的激光一般具有高的峰值功率(大于0.4GW(吉瓦))，用它去激发气体时会造成气体裂解、点燃可燃气体和损毁密封用是石英窗口，而严重影响或不能完成气体拉曼光谱测量，所以需采用激光外整形光路将峰值功率降到小于0.02GW才能进行正常实验。
目前一般采用激光脉冲展宽器来实现降低激光峰值功率的目的，在激光脉冲展宽器中需要至少十几片分束镜、反射镜和聚焦镜等镜子来实现，通常需要通过手工调整镜架的上下、左右、前后和俯仰位置，以保证整体激光光路的准直。但由于更多的镜子需要这些操作，会大大增加了工作难度，既费时又难于达到最佳的各段激光束间的准直效果，最终造成展宽后的激光束在激发区内得不到最佳的空间分辨能力和脉冲激光能量集中的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光脉冲展宽系统，首先让激光器系统出射实验用的高能量脉冲激光通过两片分束镜，在两片分束镜的左右侧各布置有一个由四个镜子组成的激光环腔。激光束分别在两个激光环腔内多次循环并输出激光脉冲，最终仅经过六片镜子即可从激光脉冲展宽系统中输出被展宽的低峰值功率的激光脉冲，可用在燃烧场环境中完成激光拉曼散射成像和物种摩尔分数和区域温度测量。
本发明由激光环腔1Ⅰ、激光环腔2Ⅱ和激光器系统1组成，其中激光环腔1Ⅰ和激光环腔2Ⅱ中的45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5为共有，激光器系统1、45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4自前至后顺序排列，且激光器系统1的激光出口、45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上。激光器系统1的激光出口、激光环腔1Ⅰ中45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5、激光环腔2Ⅱ中45度反射镜Ⅲ6和45度反射镜Ⅳ7的中心在同一水平面内。
所述的激光环腔1Ⅰ由45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5组成，45度反射镜Ⅰ2的镀膜工作面朝右后方，45度反射镜Ⅱ3和45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面均朝右前方，45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面朝左前方；45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3前后排列，且45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4前后排列，且45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4置于45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3右方，且45度分束镜Ⅱ5和45度反射镜Ⅰ2的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ4和45度反射镜Ⅱ3的中心在同一条左右直线上。
所述的激光环腔2Ⅱ由45度分束镜Ⅰ4、45度分束镜Ⅱ5、45度反射镜Ⅲ6和45度反射镜Ⅳ7组成，45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面朝右前方，45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅲ6的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅳ7的镀膜工作面朝左后方；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4前后排列，且45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上；45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6前后排列，且45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4置于45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6左方，且45度分束镜Ⅱ5和45度反射镜Ⅳ7的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ4和45度反射镜Ⅲ6的中心在同一条左右直线上。
本发明的工作过程为：
从激光器系统1激光出口射出的激光束Aa按45度入射角入射到45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面的中心。激光束Aa的一部分激光按45度反射角反射形成激光束Bb，激光束Aa余下的另一部分激光穿过45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面的中心形成激光束Gg。激光束Gg按45度入射角入射到45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面的中心，激光束Gg的一部分激光按45度反射角反射形成激光束Ff，激光束Gg余下的另一部分激光穿过45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面的中心形成激光束Ee。激光束Bb按45度入射角入射到45度反射镜Ⅰ2的镀膜工作面的中心，再按45度反射角反射形成激光束Cc。激光束Cc按45度入射角入射到45度反射镜Ⅱ3的镀膜工作面的中心，再按45度反射角反射形成激光束Dd。激光束Dd按45度入射角入射到45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面的中心，激光束Dd的一部分激光按45度反射角反射形成新的激光束Ee，激光束Dd余下的另一部分激光穿过45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面的中心形成新的激光束Ff。
激光束Ff按45度入射角入射到45度反射镜Ⅲ6的镀膜工作面的中心，再按45度反射角反射形成激光束Ii。激光束Ii按45度入射角入射到45度反射镜Ⅳ7的镀膜工作面的中心，再按45度反射角反射形成激光束Hh。激光束Hh按45度入射角入射到45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面的中心，激光束Hh的一部分激光按45度反射角反射形成新的激光束Gg，激光束Hh的余下的另一部分激光穿过45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面的中心形成新的激光束Bb。激光束Aa在激光环腔Ⅰ1和激光环腔Ⅱ2内循环n次，最终形成被展宽后的激光束Ee。激光束Ee可在燃烧场环境中激发出拉曼散射光信号，再由拉曼光谱系统完成气态物种的组分、组分浓度和温度的检测。
本发明能实现仅使用四片反射镜和两片分束镜，即可将原具有高峰值功率和窄脉宽半高宽(FWHM)的高能脉冲激光转变为低峰值功率和宽FWHM的高能脉冲激光，降低了激光脉冲展宽系统中准直激光光路工作的难度，且激光在激发区内的空间分辨率和激光能量利用率得到提高。
附图说明
图1为激光脉冲展宽系统的结构示意图
图2为激光环腔Ⅰ1的结构示意图
图3为激光环腔Ⅱ2的结构示意图
图4为激光脉冲展宽时序图
其中：Ⅰ.激光环腔1 Ⅱ.激光环腔2 1.45度反射镜Ⅰ 2.45度反射镜Ⅱ 3.45度分束镜Ⅰ 4.45度分束镜Ⅱ 5.45度反射镜Ⅲ 6.45度反射镜Ⅳ a.激光束A b.激光束B c.激光束C d.激光束D e.激光束E f.激光束F g.激光束G h.激光束H i.激光束I
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1所示，本发明由激光环腔1Ⅰ、激光环腔2Ⅱ和激光器系统1组成，其中激光环腔1Ⅰ和激光环腔2Ⅱ中的45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5为共有，激光器系统1、45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4自前至后顺序排列，且激光器系统1的激光出口、45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上。激光器系统1的激光出口、激光环腔1Ⅰ中45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5、激光环腔2Ⅱ中45度反射镜Ⅲ6和45度反射镜Ⅳ7的中心在同一水平面内。
如图2所示，所述的激光环腔1Ⅰ由45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4和45度分束镜Ⅱ5组成，45度反射镜Ⅰ2的镀膜工作面朝右后方，45度反射镜Ⅱ3和45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面均朝右前方，45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面朝左前方；45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3前后排列，且45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4前后排列，且45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4置于45度反射镜Ⅰ2和45度反射镜Ⅱ3右方，且45度分束镜Ⅱ5和45度反射镜Ⅰ2的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ4和45度反射镜Ⅱ3的中心在同一条左右直线上。
如图3所示，所述的激光环腔2Ⅱ由45度分束镜Ⅰ4、45度分束镜Ⅱ5、45度反射镜Ⅲ6和45度反射镜Ⅳ7组成，45度分束镜Ⅰ4的镀膜工作面朝右前方，45度分束镜Ⅱ5的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅲ6的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅳ7的镀膜工作面朝左后方。45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4前后排列，且45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4的中心在同一条前后直线上；45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6前后排列，且45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ5和45度分束镜Ⅰ4置于45度反射镜Ⅳ7和45度反射镜Ⅲ6左方，且45度分束镜Ⅱ5和45度反射镜Ⅳ7的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ4和45度反射镜Ⅲ6的中心在同一条左右直线上。
本发明连接过程的要求如下：
初步调整各光学器件中心高度：使得激光器系统1的激光出口、45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4、45度分束镜Ⅱ5、45度反射镜Ⅲ6、45度反射镜Ⅳ7的中心在同一水平面内。
激光器系统1通电并预热，设置旋钮位置和参数。
精确调整各光学器件中心多维度位置：激光器系统1出射调试用的实验用的最大能量的532nm(纳米)可见光激光束Aa，微调激光器系统1激光环腔Ⅰ2、激光环腔Ⅱ2中的所有设备和镜架的高度、左右和前后位置、倾角和俯仰的角度位置，使得激光束Aa、激光束Bb、激光束Cc、激光束Dd、激光束Ee、激光束Ff、激光束Gg、激光束Hh、激光束Ii在同一水平面内。使得激光束Aa、激光束Gg和激光束Ee在同一条直线上，激光束Hh和激光束Bb在同一条直线上，激光束Dd和激光束Ff在同一条直线上。
测量实际展宽前后的激光时域波形：用光电转换器和高频示波器分别观测激光束Aa和激光束Ee的时域波形，得到图4所示的曲线，观察展宽效果。
实施例：
如图1所示，激光器系统1为白俄罗斯LOTIS TII公司的LS2137型激光器系统，其出射532nm(纳米)激光束Aa，其激光光斑直径约为8mm(毫米)，激光发散角为0.8mrad，脉宽半高宽(FWHM)约为7ns(纳秒)，频率为10Hz(赫兹)，实验激光能量E为420mJ(毫焦)。
45度反射镜Ⅰ2、45度反射镜Ⅱ3、45度分束镜Ⅰ4、45度分束镜Ⅱ5、45度反射镜Ⅲ6、45度反射镜Ⅳ7均选购于白俄罗斯LOTIS TII公司，均为532nm表面增强镀膜。
激光能量计为加拿大gentec-eo公司的QED12衰减片、QE12LP-H-MB探头和solo2表头。光电转换器为美国Thorlabs公司DET02AFC型硅光电二级管，高频示波器为台湾GWINSTEK公司的GDS3352型数字示波器。
激光束Aa的长度为200mm，激光束Bb和激光束Dd的长度均为1000mm，激光束Cc、激光束Gg和激光器Ii的长度均为300mm，激光束Ff和激光束Hh长度均为500mm。
如图4所示，其中：A为激光束Aa的时域波形，峰值功率为0.06GW，FWHM为7ns；B为激光束Ee的时域波形，峰值功率为0.02GW，FWHM为35ns；A1为激光束Aa、激光束Ee的频率，取10Hz。
Claims (3)
1.一种激光脉冲展宽系统，其特征在于：由激光环腔1(Ⅰ)、激光环腔2(Ⅱ)和激光器系统(1)组成，其中激光环腔1(Ⅰ)和激光环腔2(Ⅱ)中的45度分束镜Ⅰ(4)和45度分束镜Ⅱ(5)为共有，激光器系统(1)、45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)自前至后顺序排列，且激光器系统(1)的激光出口、45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)的中心在同一条前后直线上；激光器系统(1)的激光出口、激光环腔1(Ⅰ)中45度反射镜Ⅰ(2)、45度反射镜Ⅱ(3)、45度分束镜Ⅰ(4)和45度分束镜Ⅱ(5)、激光环腔2(Ⅱ)中45度反射镜Ⅲ(6)和45度反射镜Ⅳ(7)的中心在同一水平面内。
2.按权利要求1所述的激光脉冲展宽系统，其特征在于：所述的激光环腔1(Ⅰ)由45度反射镜Ⅰ(2)、45度反射镜Ⅱ(3)、45度分束镜Ⅰ(4)和45度分束镜Ⅱ(5)组成，45度反射镜Ⅰ(2)的镀膜工作面朝右后方，45度反射镜Ⅱ(3)和45度分束镜Ⅰ(4)的镀膜工作面均朝右前方，45度分束镜Ⅱ(5)的镀膜工作面朝左前方；45度反射镜Ⅰ(2)和45度反射镜Ⅱ(3)前后排列，且45度反射镜Ⅰ(2)和45度反射镜Ⅱ(3)的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)前后排列，且45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)置于45度反射镜Ⅰ(2)和45度反射镜Ⅱ(3)右方，且45度分束镜Ⅱ(5)和45度反射镜Ⅰ(2)的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ(4)和45度反射镜Ⅱ(3)的中心在同一条左右直线上。
3.按权利要求1所述的激光脉冲展宽系统，其特征在于：所述的激光环腔2(Ⅱ)由45度分束镜Ⅰ(4)、45度分束镜Ⅱ(5)、45度反射镜Ⅲ(6)和45度反射镜Ⅳ(7)组成，45度分束镜Ⅰ(4)的镀膜工作面朝右前方，45度分束镜Ⅱ(5)的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅲ(6)的镀膜工作面朝左前方，45度反射镜Ⅳ(7)的镀膜工作面朝左后方；45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)前后排列，且45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)的中心在同一条前后直线上；45度反射镜Ⅳ(7)和45度反射镜Ⅲ(6)前后排列，且45度反射镜Ⅳ(7)和45度反射镜Ⅲ(6)的中心在同一条前后直线上；45度分束镜Ⅱ(5)和45度分束镜Ⅰ(4)置于45度反射镜Ⅳ(7)和45度反射镜Ⅲ(6)左方，且45度分束镜Ⅱ(5)和45度反射镜Ⅳ(7)的中心在同一条左右直线上；45度分束镜Ⅰ(4)和45度反射镜Ⅲ(6)的中心在同一条左右直线上。
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