CN108899744A - 一种偏振式激光脉冲展宽系统 - Google Patents

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孙万臣
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Abstract

一种偏振式激光脉冲展宽系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明中激光器系统、偏振分光镜Ⅰ、波片和偏振分光镜Ⅱ前后排列，反射镜Ⅱ和反射镜Ⅰ前后排列；偏振分光片Ⅱ中心至反射镜Ⅰ中心连线与过偏振分光片Ⅱ中心前后直线的夹角α为113度；反射镜Ⅱ中心至偏振分光片Ⅰ中心连线与过反射镜Ⅱ中心前后直线的夹角β为67度；本发明能实现将原具有高峰值功率和窄脉宽半高宽(FWHM)的高能P偏振激光脉冲转变为低峰值功率和宽FWHM的高能P偏振激光脉冲，可降低激光脉冲展宽系统中准直激光光路工作难度、提高激光在激发区内的空间分辨率和激光能量利用率、大幅增加气态拉曼散射信号的强度和信噪比。

Description

一种偏振式激光脉冲展宽系统
技术领域
本发明属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种偏振式激光脉冲展宽系统。
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和需要较宽的激光脉冲的脉宽半高宽(FWHM)。可是，常用的高能脉冲激光器出射的激光一般具有高的峰值功率(大于0.4GW(吉瓦))和窄的FWHM(几个纳秒)，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，所以需采用某种激光外整形光路将峰值功率降到小于0.02GW和将 FWHM展宽到几十纳秒(ns)才能完成测量。
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。一方面，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。另一方面，在用激光照射燃烧场环境时，除了会产生气态物种的拉曼散射光外，还有气态物种的荧光出现，它会严重降低拉曼散射信号的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偏振式激光脉冲展宽系统，首先让激光器系统出射实验用的 P(水平方向)偏振态的高能量激光脉冲，这个激光脉冲按照布鲁斯特角射到第一片偏振分光镜上，P偏振光完全通过而无反射发生。然后，经过一片可旋转角度(0度～90度)的波片，通过调整角度，使得从波片出射的光变为合成的P偏振光和S(竖直方向)偏振光。这个合成的偏振光也按布鲁斯特角入射到第二片偏振分光镜时，P偏振光通过，而S偏振光被反射，并经由两片反射镜返回第一片偏振分光镜。这五个镜片形成一个激光脉冲循环腔，激光脉冲在腔内多次循环，最终在第二片偏振分光镜的出口将原始激光脉冲展宽和降低了峰值功率。由于这个展宽系统保持了原来的脉冲激光偏振方向和能量，能够实现气体拉曼信号的最大化，又由于荧光信号对激光的偏振态不敏感，所以也大大减少的荧光信号的产生，提高了气体拉曼信号的信噪比。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。
本发明由激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5和反射镜Ⅱ6组成，激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5、反射镜Ⅱ6 置同一光学平台上；偏振分光镜Ⅰ2的镀膜工作面朝右前方，波片3的镀膜工作面朝正前方，偏振分光镜Ⅱ4的镀膜工作面朝左前方，反射镜Ⅰ5的镀膜工作面朝右前方，反射镜Ⅱ6的镀膜工作面朝右后方；激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3和偏振分光镜Ⅱ4自前至后顺序排列，且激光器系统1的脉冲激光出口、偏振分光镜Ⅰ2、波片3和偏振分光镜Ⅱ4的中心在一条前后直线上；反射镜Ⅱ6和反射镜Ⅰ5前后排列，且反射镜Ⅱ6和反射镜Ⅰ5的中心在一条前后直线上；偏振分光片Ⅱ4中心至反射镜Ⅰ5中心连线与过偏振分光片Ⅱ4中心前后直线的夹角α为113度；反射镜Ⅱ6中心至偏振分光片Ⅰ2中心连线与过反射镜Ⅱ6中心前后直线的夹角β为67度。
本发明的工作过程如下：
从激光器系统1脉冲激光出口出射P偏振的激光束Aa按56.5度入射角入射到偏振分光镜Ⅰ2的镀膜工作面的中心，并穿过形成P偏振的激光束Bb。P偏振的激光束Bb按0度入射角竖直入射到已经旋转45度角的波片3的镀膜工作面的中心，并穿形成激光束Cc，激光束Cc含有P偏振光和S偏振光。激光束Cc按56.5度入射角入射到偏振分光镜Ⅱ4镀膜工作面的中心，含有S偏振的激光束Cc按56.5度的反射角反射形成S偏振的激光束Ee，而含有P 偏振的激光束Cc穿过偏振分光镜Ⅱ4镀膜工作面的中心形成P偏振的激光束Dd。S偏振的激光束Ee按33.5度的入射角入射到反射镜Ⅰ5的镀膜工作面的中心，再按33.5度的反射角反射形成S偏振的激光束Ff。S偏振的激光束Ff按33.5度的入射角入射到反射镜Ⅱ6的镀膜工作面的中心，再按33.5度的反射角反射形成S偏振的激光束Gg。S偏振的激光束Gg按56.5 度的入射角入射到镀膜工作面的中心，再按56.5度的反射角反射形成S偏振的新的激光束 Bb。S偏振的激光束Bb按0度入射角入射到波片3的镀膜工作面的中心，再穿过形成含有S 偏振和P偏振的新的激光束Cc。激光束Cc按56.5度的入射角入射到偏振分光镜Ⅱ4的镀膜工作面的中心，含有P偏振的激光束Cc穿出形成新的激光束Dd，而含有S偏振的激光束Cc 按56.5度的反射角反射形成新的S偏振的激光束Ee。到此完成了P偏振的激光束Aa的一次循环，这样的循环完成n次，最终形成合成的P偏振的激光束Ee。
这个最终合成的P偏振的激光束Ee的峰值功率要小于P偏振的激光束Aa的峰值功率，其脉宽半高宽(FWHM)要大于P偏振的激光束Aa的FWHM。
本发明能实现仅使用两片偏振分光镜、一片1/2波片和两片反射镜即可将原具有高峰值功率和窄脉宽半高宽(FWHM)的高能P偏振激光脉冲转变为低峰值功率和宽FWHM的高能P偏振激光脉冲，可降低激光脉冲展宽系统中准直激光光路工作的难度、提高激光在激发区内的空间分辨率和激光能量利用率、大幅增加气态拉曼散射信号的强度和信噪比。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、组分浓度和温度的定量测量。
附图说明
图1为线偏振式激光脉冲展宽系统的结构示意图
图2为激光脉冲展宽前后时序图
其中：1.激光器系统 2.偏振分光片Ⅰ 3.1/2波片 4.偏振分光片Ⅱ 5.反射镜Ⅰ 6.反射镜Ⅱ 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
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，本发明由激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5和反射镜Ⅱ6组成，激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5、反射镜Ⅱ6置同一光学平台上；偏振分光镜Ⅰ2的镀膜工作面朝右前方，波片3的镀膜工作面朝正前方，偏振分光镜Ⅱ4的镀膜工作面朝左前方，反射镜Ⅰ5的镀膜工作面朝右前方，反射镜Ⅱ6的镀膜工作面朝右后方；激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3和偏振分光镜Ⅱ4自前至后顺序排列，且激光器系统1的脉冲激光出口、偏振分光镜Ⅰ2、波片3和偏振分光镜Ⅱ 4的中心在一条前后直线上；反射镜Ⅱ6和反射镜Ⅰ5前后排列，且反射镜Ⅱ6和反射镜Ⅰ5 的中心在一条前后直线上；偏振分光片Ⅱ4中心至反射镜Ⅰ5中心连线与过偏振分光片Ⅱ4中心前后直线的夹角α为113度；反射镜Ⅱ6中心至偏振分光片Ⅰ2中心连线与过反射镜Ⅱ6 中心前后直线的夹角β为67度。
本发明工作过程中的要求如下：
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出射调试用能量的532nm(纳米) 可见光激光束Aa，微调激光器系统1、偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5和反射镜Ⅱ6的设备支架和镜架的高度位置、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在同一水平面内，使得激光束Aa、激光束Bb、激光束Cc和激光束Dd在同一条直线上，使得J激光束Ff平行与激光束Aa、激光束Bb、激光束Cc和激光束Dd，使得激光束Aa、激光束Cc和激光束G个的入射角为56.5度，使得激光束Ee的反射角为56.5度，使得激光束Ee和激光束 Ff的入射角及激光束Ff和激光束Gg的反射角均为33.5度。旋转波片3为45度角。
测量激光偏振态：将偏振测试仪的探头插入激光束Cc的光路中，观测激光束Cc的P偏振和S偏振。
测量激光脉冲展宽前后的时域波形：用光电转换器和高频示波器分别观测激光束Aa和激光束Dd的时域波形，得到图2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)。
偏振分光镜Ⅰ2、波片3、偏振分光镜Ⅱ4、反射镜Ⅰ5和反射镜Ⅱ6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，高频示波器为中国台湾GWINSTEK 公司的GDS3352型数字示波器。
偏振测试仪为美国Thorlabs公司的PAX1000VIS型偏振测试仪。
激光束Aa的长度为650mm，激光束Bb和激光束Cc的长度均为250mm，激光束Ee和激光束Gg均为350mm，激光束Ff为650mm。
如图2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Dd的时域波形，峰值功率为0.02GW，FWHM为35ns；A1为激光束Aa、激光束Dd的频率，为10Hz。

Claims (1)

1.一种偏振式激光脉冲展宽系统,其特征在于：由激光器系统(1)、偏振分光镜Ⅰ(2)、波片(3)、偏振分光镜Ⅱ(4)、反射镜Ⅰ(5)和反射镜Ⅱ(6)组成，激光器系统(1)、偏振分光镜Ⅰ(2)、波片(3)、偏振分光镜Ⅱ(4)、反射镜Ⅰ(5)、反射镜Ⅱ(6)置同一光学平台上；偏振分光镜Ⅰ(2)的镀膜工作面朝右前方，波片(3)的镀膜工作面朝正前方，偏振分光镜Ⅱ(4)的镀膜工作面朝左前方，反射镜Ⅰ(5)的镀膜工作面朝右前方，反射镜Ⅱ(6)的镀膜工作面朝右后方；激光器系统(1)、偏振分光镜Ⅰ(2)、波片(3)和偏振分光镜Ⅱ(4)自前至后顺序排列，且激光器系统(1)的脉冲激光出口、偏振分光镜Ⅰ(2)、波片(3)和偏振分光镜Ⅱ(4)的中心在一条前后直线上；反射镜Ⅱ(6)和反射镜Ⅰ(5)前后排列，且反射镜Ⅱ(6)和反射镜Ⅰ(5)的中心在一条前后直线上；偏振分光片Ⅱ(4)中心至反射镜Ⅰ(5)中心连线与过偏振分光片Ⅱ(4)中心前后直线的夹角α为113度；反射镜Ⅱ(6)中心至偏振分光片Ⅰ(2)中心连线与过反射镜Ⅱ(6)中心前后直线的夹角β为67度。
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